第五讲 ANSYS概述4-单元和材料模型
ANSYS结构分析-材料模型
ANSYS 结构分析材料模型
1 材料模型的分类
a. ANSYS 结构分析材料属性：
线性(Linear)、非线性(Nolinear)、密度(Density)、热膨胀(Thermal Expansion)、阻尼(Damping)、摩擦系数( Friction Coefficient)、特殊材料(Specialized Materials) 等七种，可通过材料属性菜单分别定义。
b. 材料模型：
线性、非线性及特殊材料三类，每类材料中又可分为多种材料类型，而每种材料类型则有不同的属性。
2 材料模型的定义及特点
材料模型及其属性均可通过GUI 方式输入。
线弹性材料可通过MP 命
令输入，而非线性及特殊材料则通过TB 命令定义，其属性则通过TBDATA 表输入。
表中前几项是常用的塑性材料模型，其后部分的材料模型有专用材料模型和可与前几项组合使用的材料模型。
表中屈服准则列中的Mises/Hill，指针对不同的单元分别采用Mises 屈服准则或Hill屈服准则，凡是可以考虑塑性的所有单元均可采用二者。
常用的单元
杆单元：LINK8、LINK10、LINK180
梁单元：BEAM3、BEAM4、BEAM188、BEAM189
管单元：PIPE16、PIPE20
2D 实体单元：PLANE82、PLANE183
3D 实体单元：SOLID65、SOLID92/95、SOLID191
壳单元：SHELL63、SHELL93、SHELL181
弹簧单元：COMBIN14、COMBIN39
质量单元：MASS21
矩阵单元：MATRIX27
表面效应单元：SURF154。
【ANSYS培训】单元库及常用单元、材料库、高级有限元模型技术
梁网格划分
• 在单元绘图中显示横截面形状, 激活显示单元形状:
– Utility Menu > PlotCtrls > Style > Size and Shape… – 或使用命令 /ESHAPE,1
ANSYS TRAINING
梁网格划分
• 网格划分完成后,接着施加荷载并求解
ANSYS TRAINING
ANSYS TRAINING
• 建筑框架
练习
ANSYS TRAINING
壳的高级使用
ANSYS TRAINING
壳用于薄面板或曲面的模型，壳分析 应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低 于其厚度的10倍。
ANSYS TRAINING
壳的使用
薄壳 (Love/Kirchhoff)
– 假设最初垂直于壳的中面的横截面 在加载过程中保持平直并垂直于中 性轴，该假设不包括剪切变形。
• 对非线性分析，不同的壳单元在面内和面外有不同的积分 点数。例如, 具有 URI 的SHELL181 在面内有1个积分点 ，在厚度方向上有5 个。特定单元的详细说明可参阅理论 手册第14 章。注意SHELL181 在厚度上可以有用户定义 的积分点。
ANSYS TRAINING
SHELL181
• SHELL181 属于 18x 系列单元，由于其丰富的特 点，对非线性应用建议选择该单元。
梁属性
• “自定义”横截面形状步骤: 建立面 指定线分割数 保存截面 编辑截面（若需要，如定义复合材料截面等） 读入截面(使用时)
举例：有圆孔的方形梁 截面上的不同材料
ANSYS TRAINING
梁属性
材料属性 • 线性和非线性材料属性均可 • 所有梁的属性定义好以后，下一步是对几何模型进
ANSYS材料模型
材料模型ANSYS/LS-DYNA包括40多种材料模型，它们可以表示广泛的材料特性，可用材料如下所示。
本章后面将详细叙述材料模型和使用步骤。
对于每种材料模型的详细信息，请参看Appendix B,Material Model Examples或《LS/DYNA Theoretical Manual》的第十六章（括号内将列出与每种模型相对应的LS-DYNA 材料号）。
线弹性模型·各向同性（#1）;正交各向异性（#2）;各向异性（#2）;弹性流体（#1）非线弹性模型·Blatz-ko Rubber(#7);Mooney-Rivlin Rubber(#27);粘弹性（#6）非线性无弹性模型·双线性各向同性（#3）;与温度有关的双线性各向同性（#4）·横向各向异性弹塑性（#37）;横向各向异性FLD（#39）·随动双线性（#3）;随动塑性（#3）;3参数Barlat（#36）·Barlat各向异性塑性（#33）;与应变率相关的幂函数塑性（#64）·应变率相关塑性（#19）;复合材料破坏（#22）;混凝土破坏（#72）·分段线性塑性（#24）;幂函数塑性（#18）压力相关塑性模型·弹-塑性流体动力学（#10）;地质帽盖材料模型(#25)泡沫模型·闭合多孔泡沫(#53);粘性泡沫(#62);低密度泡沫(#57)·可压缩泡沫(#63);Honeycomb(#26)需要状态方程的模型·Bamman塑性（#51）·Johnson-Cook塑性（#15）·空材料（#9）;Zerilli-Armstrong(#65);Steinberg(#11)离散单元模型·线弹性弹簧;普通非线性弹簧;非线性弹性弹簧;弹塑性弹簧·非弹性拉伸或仅压缩弹簧;麦克斯韦粘性弹簧;线粘性阻尼器·非线粘性阻尼器;索（缆）（#71）刚性体模型·刚体（#20）7.1定义显示动态材料模型用户可以采用ANSYS命令 MP， MPTEMP， MPDATA， TB， TBTEMP和TBDATA以及ANSYS/LS-DYNA命令 EDMP来定义材料模型。
ansys单元介绍 -回复
ansys单元介绍-回复ANSYS单元介绍: 一步一步解析引言：ANSYS是一种广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以用于模拟和分析各种结构和流体问题。
在ANSYS中，单元是构成模型的基本元素之一。
单元的选择和使用对于准确模拟和分析结构和流体行为至关重要。
在本文中，我们将一步一步介绍ANSYS中的各种单元类型及其特点。
第一步：ASYS单元的分类ANSYS中有多种类型的单元，每种类型的单元都有特定的用途和特点。
以下是ANSYS中的一些常见单元类型：1.节点(single-point)单元：节点单元是最简单的单元类型，通常用来代表一个点。
它们没有具体的尺寸、形状或体积。
节点单元主要用于定义边界条件和对模型进行约束。
2.直棒单元(beam)：直棒单元用于模拟如梁、柱等结构件。
它们是一维的，具有长度、截面积和惯性矩等属性。
直棒单元适用于分析结构的弯曲和扭转等行为。
3.平面单元(2D element)：平面单元用于模拟二维面内的结构行为，例如板、壳体等。
它们有两个维度，通常是一个矩形或三角形。
平面单元适用于模拟轴对称和平面应力问题。
4.立体单元(3D element)：立体单元用于模拟三维结构的行为，例如块体、体积等。
它们具有三个维度，并可以有复杂的几何形状和体积。
立体单元适用于模拟体积和三维应力问题。
第二步：ANSYS单元的性质和特点每种ANSYS单元都具有其特定的性质和特点，这些性质决定了单元的适用范围和准确性。
1.节点单元的特点：- 节点单元没有具体的几何属性，只有一个坐标点。
- 节点单元通常用于定义边界条件和约束。
- 节点单元可以用于模拟点荷载和点约束。
2.直棒单元的特点：- 直棒单元是一维的，具有长度、截面积和惯性矩等属性。
- 直棒单元适用于分析弯曲和扭转等行为。
- 直棒单元通常通过节点和约束连接构成结构。
3.平面单元的特点：- 平面单元是二维的，具有两个维度，通常是一个矩形或三角形。
- 平面单元适用于模拟轴对称和平面应力问题。
ANSYS完整课件讲义
ANSYS的分析方法(续)
2-2.
ANSYS分析步骤在GUI中的体现
分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现。
1. 建立有限元模型
2. 施加载荷求解 3. 查看结果
19
ANSYS的分析方法(续)
ANSYS GUI中的功能排 列按照一种动宾结构 ，以动词开始（如 Create), 随后是一个 名词 (如Circle)。 菜单的排列，按照由 前到后、由简单到复 杂的顺序，与典型分 析的顺序相同。
二、主要模块简介
4. ANSYS/Thermal：该模块是从ANSYS/Mechanical中 派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可用于稳 态及瞬态热分析。 5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求 解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流 及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合， ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的 CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。 6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包， 可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该程序 与其它ANSYS模块联合使用时，具有了多物理场分析功 能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。
二、主要模块简介
7. ANSYS/Preppost：该模块为用户在前处理阶段提供 了强大的功能，使用户能够便捷地建立有限元模型。其后 处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结果。 8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序， 它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受到 了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行，是理 想的培训教学软件。 9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可 解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成形、 碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以及多物 体接触分析，它可以加入第一类软件包中运行，也可以单 独运行。
ansys材料模型
B.2.1. Isotropic Elastic Example: High Carbon SteelMP,ex,1,210e9! PaMP,nuxy,1,.29! No unitsMP,dens,1,7850! kg/m3页脚内容1B.2.7. Bilinear Isotropic Plasticity Example: Nickel Alloy MP,ex,1,180e9! PaMP,nuxy,1,.31! No unitsMP,dens,1,8490! kg/m3TB,BISO,1TBDATA,1,900e6! Yield stress (Pa)TBDATA,2,445e6! Tangent modulus (Pa)页脚内容2B.2.10. Bilinear Kinematic Plasticity Example: Titanium Alloy MP,ex,1,100e9! PaMP,nuxy,1,.36! No unitsMP,dens,1,4650! kg/m3TB,BKIN,1TBDATA,1,70e6! Yield stress (Pa)TBDATA,2,112e6! Tangent modulus (Pa)页脚内容3页脚内容4随动硬化）和1（仅各向同性硬化）间调整硬化参数β来选择各向同性或随动硬化。
应变率用Cowper-Symonds 模型来考虑，用与应变率有关的因数表示屈服应力，如下所示： )(101eff P P P Y E C εβσεσ+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⋅ 这里0σ—初始屈服应力，⋅ε—应变率，C 和P-Cowper Symonds 为应变率参数。
eff P ε—有效塑性应变，P E —塑性硬化模量，由下式给出： tan tan E E E E E P -=应力应变特性只能在一个温度条件下给定。
用MP 命令输入弹性模量（Exx ），密度（DENS ）和泊松比（NUXY ）。
第05讲-有限元分析方法及工程常用单元类型、单元选择
=0时，6个自由度（3D） =2时，3个线位移自由度（3D） =3时，UX,UY,ROTZ共3个自由度（2D） =4时，UX,UY共2个自由度（2D）
5-23
Mass21单元
• Mass21单元实参数也需要根据单元自由度数量的多少进行确定 （Keyout（3）的值而定）。 Mass21无单元结果数据输出，位移结果包含在整体位移结果当中。 质量单元不适应在静力分析中。除非具有加速度或旋转加载时、或 者惯性解除时（IRLF）。
• • • LINK8 可用于不同工程领域的应用，例如桁架、杆件、弹簧等结构。该 单元为三维空间并承受轴向的拉力及压力，不考虑弯矩。 每个节点具有X、Y、Z位移方向的三个自由度。 实参数输入： 面积：AREA - Cross-sectional area 初应变：ISTRN - Initial strain（受拉为正） 荷载：节点荷载、温度 输出：单元轴向应力、轴向力。 与LINK1 基本一致。
5-12
单元形函数(续)
二次曲线的线性逼近 (不理想结果) DOF值二次分布
.
1
节点 单元 线性近似 (更理想的结果)
.
2
真实的二次曲线
.
节点 单元
真实的二次曲线
.
二次近似 (接近于真实的二次近似拟合) (最理想结果)
.. . . .
3
5-13
.
4
节点 单元
.
节点
单元
单元形函数(续)
遵循原则: • DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情 况吻合得很好。 这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来的（如，结构应力，热梯度）。 如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs，就不能很好地得到导出数据，因为 这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。 当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受该种单元类型所假定的单元 形函数。 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有足够数量的单元 和节点来精确描述所要求解的问题。
《ANSYS基础培训》课件
2
求解分析
学习使用ANSYS求解器进行结构和流体分析，获得精确的模拟结果。
3
后处理
掌握如何在ANSYS中进行后处理，分析和可视化模拟结果。
不同领域的分析
结构分析
深入研究ANSYS在结构分析方 面的应用，如静态、动态、疲 劳分析等。
热分析
学习如何使用ANSYS进行热传 导、热辐射和热对流分析，解 决热问题。
建模与分析
2D和3D建模
学习如何在ANSYS中进行 二维和三维建模，创建复 杂的几何形状。
有限元分析 (FEA)
深入了解有限元分析的原 理和应用，掌握ANSYS中 的FEA技术。
网格生成技术
探索不同的网格生成方法， 优化模型的划分和分析效 果。
边界条件与求解
1
应用边界条件
了解在ANSYS中如何应用边界条件，指定约束和加载。
流体动力学分析
介绍ANSYS在流体动力学领域 的应用，如流体流动、压力分 布等。
优化工具
参数优化
通过ANSYS优化工具进行参数优化，提高产品 性能和效率。
拓扑优化
使用拓扑优化技术，优化结构的材料分布和重 量。
常见问题解决方法
1 错误排查
了解常见的ANSYS错误和故障排除技巧，提高模拟效果。
2 模型修复
《ANSYS基础培训》PPT 课件
欢迎使用《ANSYS基础培训》PPT课件！通过这个课程，您将深入了解 ANSYS的各个方面，从建模到分析，从结构到流体，精通这个强大的工程模 拟软件。
概述
本课程介绍ANSYS的基础知识，包括ANSYS Workbench的概述、ANSYS预 处理、材料属性定义等。
学习如何修复模型中的几何和网格问题，保证模拟的准确性。
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2012年3月7日
ANSYS原理与使用-阚前华
qianhuakan@
弹性-塑性材料 弹性 塑性
2012年3月7日
stress strain
ANSYS原理与使用-阚前华
stress strain
qianhuakan@
非粘性和粘性材料
非粘性
stress time strain time
前两项 (惯性力和阻尼力)表示动力学响应，当[M]和 [C]取零，即为静态分析
2012年3月7日 ANSYS原理与使用-阚前华 qianhuakan@
静态分析
动力学系统的稳态求解. 动力学系统的近似求解.
经验法则:假如变形时循环的，频率低于结构固 有频率的1/3，动力学效应可以忽略。
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
K, 5, L, -H/2, -B/2 K, 6, L, H/2, -B/2 K, 7, L, H/2, B/2 K, 8, L, -H/2, B/2 V, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
ANSYS单元 单元分类: 分析类型 (结构，流体…) 维数 (2D, 3D) 几何 (三角形，四边形，四面体，六面体) 形状函数 (线性，二次) ANSYS9.0总共提供200多种单元.
2012年3月7日
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ANSYS单元 常用单元
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
K, 5, L, -H/2, -B/2 K, 6, L, H/2, -B/2 K, 7, L, H/2, B/2 K, 8, L, -H/2, B/2 V, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
/VIEW,, 1, 2, 3 VPLOT ET, 1, SOLID45 MP, EX, 1, E MP, NUXY, 1, NU MP, DENS, 1, RO MP, DAMP, 1, DMP TYPE, 1 MAT, 1 ESIZE, SIZE VMESH, ALL FINISH
qianhuakan@
2012年3月7日
ANSYS原理与使用-阚前华
qianhuakan@
线性分析
当载荷和响应呈线性关系，结构分析称之为线性分析 . 线性结构特征：
位移/应变足够小. 应力-应变关系是线性的，如Hooke律. 加载期间没有状态改变.
2012年3月7日
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非线性分析
几何非线性 材料非线性 状态非线性
2012年3月7日
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材料模型 弹性 vs. 非弹性(塑性) 线性 vs. 非线性 (弹性) 粘性 vs. 非粘性 均匀 vs. 非均匀 各向同性 vs. 各向异性
2012年3月7日
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示例1: 悬臂梁动态分析 PLNSOL, S, X (67th Line)
2012年3月7日
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示例1: 悬臂梁动态分析 PLVAR, 2 (73rd Line)
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均匀和非均匀材料
材料中任何一个点的材料属性相同， 为均匀材料. 在有限元力，一般认为在一个单元 内材料是均匀的.
2012年3月7日
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各向同性和各向异性材料
材料在各个方向性质 均相同 ，为各向同性 材料 各向同性线弹性
实例2：悬臂梁非线性分析
2012年3月7日
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实例2：悬臂梁非线性分析
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
FINISH /CLEAR
L = 60 H = 10 B =6 E = 200000 NU = 0.3 SY = 100 ET = 0 SIZE = 3 Q =1 P = 100 /PREP7 K, 1, 0, -H/2, -B/2 K, 2, 0, H/2, -B/2 K, 3, 0, H/2, B/2 K, 4, 0, -H/2, B/2
第五讲
ANSYS概述4-单元和材料模型
2012年3月7日
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结构分类 分析场： 结构分析 热分析 流体动力学分析 电磁分析 耦合场分析
耦合场分析实例
热力耦合：焊接 流固耦合：压力管道 热激励器: 电-热-结构
2012年3月7日 ANSYS原理与使用-阚前华 qianhuakan@
/VIEW,, 1, 2, 3 VPLOT ET, 1, SOLID45 MP, EX, 1, E MP, NUXY, 1, NU TB, BKIN, 1 TBDATA,, SY, ET TBPLOT, BKIN, 1 TYPE, 1 MAT, 1 ESIZE, SIZE VMESH, ALL
2012年3月7日
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示例1 : 悬臂梁动态分析
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 /SOLU NSEL, S, LOC, X, 0 D, ALL, ALL, 0 NSEL, S, LOC, Y, H/2 SF, ALL, PRES, Q NSEL, ALL N1 = NODE(L,-H/2,-B/2) N2 = NODE(L,-H/2,B/2) F, N1, FY, -P/2 F, N2, FY, -P/2 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 /POST1 SET, LIST SET, LAST /VIEW,, 0, 0, 1 PLNSOL, S, X FINISH /POST26 NSOL, 2, N1, U, Y, UY PLVAR, 2 PRVAR, 2 FINISH /POST1 SET,,,,, 0.008 PLNSOL, S, X
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plastic
linear
Viscous elastic Non-lin
plastic
2012年3月7日
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延性 vs. 脆性材料
延性材料
脆性材料
stress strain
2012年3月7日
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stress strain
2012年3月7日
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示例1: 悬臂梁动态分析
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Βιβλιοθήκη FINISH /CLEAR
L = 60 H = 10 B =6 E = 200000 NU = 0.3 RO = 7.85E-6 DMP = 0.001 SIZE = 3 Q =1 P = 100 /PREP7 K, 1, 0, -H/2, -B/2 K, 2, 0, H/2, -B/2 K, 3, 0, H/2, B/2 K, 4, 0, -H/2, B/2
The von Mises Criteria
e 为Mises应力（von Mises stress）、等效应 力（equivalent stress）或有效应力（ effective stress）.
2012年3月7日
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例子: 悬臂梁动态分析
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示例1: 悬臂梁动态分析
阻尼 vs. 无阻尼
阻尼
2012年3月7日
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示例1: 悬臂梁动态分析
无阻尼
2012年3月7日
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Beam4
Plane42
Shell63
Solid45
2012年3月7日
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结构分析类型
静态分析（Static） 动态分析（Dynamic） 模态分析（Modal） 谐分析（Harmonic） Transient Analysis 稳定性分析（Stability） 瞬态动力学（Transient Dynamics）
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延性 vs. 脆性材料 脆性材料失效判据 最大主应力判据
延性材料失效判据
Tresca判据
1 - 3 应力强度（ stress intensity）
2012年3月7日 ANSYS原理与使用-阚前华 qianhuakan@
延性 vs. 脆性材料
2012年3月7日
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模态分析
求解自然频率/周期. 求解相应的模态. 频率与全局刚度有关. 模态是指模态的自由度.
2012年3月7日
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谐分析
载荷为谐波. 允许载荷存在相位差. 求解最大影响. 谐分析通常在模态分析之后. 例子：固定支座的旋转装置.
2012年3月7日
粘性
stress time
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strain time
qianhuakan@