ANSYS命令流学习笔记18-表面效应单元
Ansys模拟表面效应单元模拟带穿透圆孔螺栓的弹塑性扭转问题
Ansys模拟表面效应单元模拟带穿透圆孔螺栓的弹塑性扭转问题问题描述用 ANSYS 表面效应单元模拟对带穿透圆孔螺栓施加扭转荷载，载荷和边界条件:沿螺栓上端的扭矩 Mt 等效为切向等效切应力：q=100MPa，底部固定 (UX=UY=UZ=0)。
设:螺栓直径 d=100mm，螺栓长度 L=400mm，螺帽直径 D=160mm,螺帽高度 H=30mm。
在螺栓长度一半处穿透圆孔直径 d=10mm。
材料的弹性模量为 E=200GPa，泊松比 v=0.3，材料应力—应变关系为 ANSYS 非线性弹塑模型--Voce 非线性等向强化 (NLISO)：σ=250+600*[1-EXP(-16.9*εP)(MPa),屈服强度σY = 250MPa ，假设为各向同性硬化材料，使用 Mises 屈服准则和关联流动法则。
1Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add→select Solid Brick 8node185→O K2Main Menu: Preprocessor →Material Props → Material Models→Structural → Nonlinear →Inelastic→ Rate independent → Isotropic hardening plasticity → Mises plasticity → Nonlinear→ inputEX:200e3, PRXY:0.3 → Sigy0：250， R o=0，Rinf=600,b=16.9→ OK3生成带帽螺栓。
分别生成中空圆环状的螺帽(R=80mm, r=50mm, H=30mm)和圆柱状的螺栓(r=50mm，L=400mm)，然后用布尔命令 Glue，将两体结合.生成竖直圆孔，先平移工作平面Utility Menu→WorkPlane→offset WP by Increments：X,Y, Z Offsets 输入0，0，200 点击 ApplyXY，YZ，ZX Angles 输入 0，－90， 0 点击 OK。
表面单元ANSYS单元特性
使用单元
• 经常遇到使用直接使用单元的情况:
– 特殊类型的表面载荷，诸如不与表面垂直的压力 – 梁的后处理和特定单元数据 – 复合（层）单元
– Link 及combination单元诸如spars, springs, and convection links
…使用单元 A. 单元坐标系 B. 表面效应单元
– 正值作用到单元里(沿单元坐标-Z向)
P2
P1
Xg=0
Xg
使用单元
...表面效应单元
面4 (续):
– 例如, 在总体坐标的X向施加渐变的200到1000的压力, X值变化 范围为 -2 到+2: • 斜率 P2 = (1000-200)/4 = 200; P3 = 0; P4 = 0 • P1 是Xg=0的值, 计算为P1 = 2(200) + 200 = 600
• Utility Menu > WorkPlane > Local Coordinate Systems > Create Local CS
使用单元
…单元坐标系
2. 选择需要的单元 3. 修改所选单元的单元坐标系到步骤1中定义的局部坐标系号 • Preprocessor > Move/Modify > -Elements- Modify Attrib • 或 EMODIF 命令(如emodif,all,esys,11) 4. 重新激活所有的单元并将其变换到前面的坐标系(CSYS).
使用单元
...表面效应单元
– KEYOPT(11)=2 施加压力到整个表面上 • 用于倾斜的表面(如屋顶) 或风载
• 例如: sfe,eslope,5,pres,,1000,0,-1,0 定义均匀、完全的压力 到倾斜表面的所有面上，如下所示
ANSYS命令流总结(全)
ANSYS结构分析单元功能与特性/可以组成一一些命令，一般是一种总体命令（session),三十也有特殊，比如是处理/POST1! 是注释说明符号，，与其他软件的说明是一样的，ansys不作为命令读取，* 此符号一般是APDL的标识符，也就是ansys的参数化语言，如*do ,,,*enddo等等NSEL的意思是node select，即选择节点。
s就是select，选择。
DIM是定义数组的意思。
array 数组。
MP命令用来定义材料参数。
K是建立关键点命令。
K,关键点编号,x坐标,y坐标，z坐标。
K, NPT, X, Y, Z是定义关键点，K是命令，NPT是关键点编号，XYZ是坐标。
NUMMRG, keypoint 用这个命令，要保证关键点的位置完全一样，只是关键点号不一样的才行。
这个命令对于重复的线面都可以用。
这个很简单，压缩关键。
Ngen 复制节点e,节点号码：这个命令式通过节点来形成单元NUMCMP,ALL：压缩所有编号，这样你所有的线都会按次序重新编号~你要是需要固定的线固定的标号NSUBST,100,500,50：通过指定子步数来设置载荷步的子步LNSRCH线性搜索是求解非线性代数方程组的一种技巧，此法会在一段区间内，以一定的步长逐步搜索根，相比常用的牛顿迭代法所要耗费的计算量大得多，但它可以避免在一些情况下牛顿迭代法出现的跳跃现象。
LNSRCH激活线性搜索PRED 激活自由度求解预测NEQIT指定一个荷载步中的最大子步数AUTOTS 自动求解控制打开自动时间步长.KBC -指定阶段状或者用跳板装载里面一个负荷步骤。
SPLINE:P1，P2，P3，P4，P5，P6，XV1，YV1，ZV1，XV6，YV6，ZV6（生成分段样条曲线）*DIM，Par，Type，IMAX，JMAX，KMAX，Var1，Var2，Var3（定义载荷数组的名称）【注】Par: 数组名Type：array 数组，如同fortran,下标最小号为1，可以多达三维（缺省）char 字符串组（每个元素最多8个字符）tableIMAX，JMAX，KMAX各维的最大下标号Var1，Var2，Var3 各维变量名，缺省为row,column,plane(当type为table时)/config是设置ansys配置参数的命令格式为/CONFIG, Lab, V ALUELab为参数名称value为参数值例如：/config，MXEL，10000的意思是最大单元数为10000杆单元:LINK1、8、10、11、180梁单元：BEAM3、4、23、24，44，54，188，189管单元:PIPE16，17，18，20，59，602D实体元:PLANE2，25，42，82，83，145，146，182，1833D实体元:SOLID45，46，64，65，72，73，92，95，147，148，185，186，187，191壳单元:SHELL28，41，43，51，61，63，91，93，99，143，150，181，208，209弹簧单元:COMBIN7，14，37，39，40质量单元:MASS21接触单元:CONTAC12，52，TARGE169，170，CONTA171，172，173，174，175，178矩阵单元:MATRIX27，50表面效应元:SURF153，154粘弹实体元:VISCO88，89，106，107，108，超弹实体元:HYPER56，58，74，84，86，158耦合场单元:SOLID5，PLANE13，FLUID29，30，38，SOLID62，FLUID79，FLUID80，81，SOLID98，FLUID129，INFIN110，111，FLUID116，130界面单元:INTER192，193，194，195显式动力分析单元:LINK160，BEAM161，PLANE162，SHELL163，SOLID164，COMBI16杆单元单元名称简称节点数节点自由度特性备注LINK1 2D杆 2 Ux,Uy EPCSDGB常用杆元LINK8 3D杆Ux,Uy,Uz EPCSDGBLINK103D仅受拉或仅受压杆EDGB模拟缆索的松弛及间隙LINK11 3D线性调节器EGB模拟液压缸和大转动LINK180 3D有限应变杆EPCDFGB 另可考虑粘弹塑性E-弹性(Elasticity)，P-塑性(Plasticity)，C-蠕变(Creep)，S-膨胀(Swelling)，D-大变形或大挠度(Large deflection)，F-大应变(Large strain)或有限应变(Finite strain)，B-单元生死(Birth and dead),G-应力刚化(Stress stiffness)或几何刚度(Geometric stiffening)，A-自适应下降(Adaptive descent)等。
ANSYS笔记
1、适用PLANE182和SHELL181建立单元时，旋转成体以后要手动将两个单元删除。
而是用MESH200时，系统会在运算时自动删除或关闭该单元状态。
2、EXPOPT体扫掠相关信息的定义，可用于旋转产生体，定义产生体的单元属性、单元尺寸、是否删除源面上的网格、是否自动选择源面和目标面等。
3、施加周向和径向约束需要在柱坐标系下进行。
4、柱坐标系的平面为XOY平面，在切换到柱坐标系时，要注意工作平面是哪个平面，如果图形不满足XOY平面，应建立局部坐标系，调整平面。
5.局部坐标系中蓝色代表Z轴，白色代表X轴，黄色代表Y轴。
6、转速的施加一般是按照弧度进行施加。
7、考虑预应力模态分析的求解，需要先进性预应力效应打开时静力分析，求解一次，然后点击FINISH，之后再进入求解，选择模态分析进行求解。
一、二1.1、采用三维单元分析平面问题时需要约束其Z向的全部位移。
三1、梁柱铰接可以通过两种形式设置（350）：（1）梁柱连接处共用一个节点，使用梁单元弯矩释放功能，将转动自由度和平动自由度释放，可近似实现铰接。
（2）在建立模型是，梁柱不共用节点，通过约束方程，耦合节点位移实现铰接。
使用CP 命令。
2、BEAM188单元画内力图时，设置KEYOPT,1,3,3设置三次形函数可消除弯矩图出现锯齿状。
3、施加重力加速度时，方向与实际方向相反。
4、单元表中坐标系以单元坐标系为准。
四1、求解塑性极限荷载时，荷载大小未知：（1）可以通过理论求解，将大概的理论之求解出来，通过加载距离理论值相近的值进行求解，选取求解不收敛失败前最后一个荷载值作为极限荷载。
（2）通过不断试错，加一个很大的荷载，加到知道计算不收敛，将最大的荷载乘以不收敛的时刻点作为屈服极限荷载。
2、非线性求解中，时间点（TIME）可以写10也可以写1，最终数值要乘以时间点，最好填写1，方便计算。
求解完成后，打开Results Summary中TIME/FREQ列乘以施加力，可得到每一荷载子步施加的力的大小。
ANSYS表面效应单元
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10.把 “切向X压力”符号改为箭头: – Utility Menu > PlotCtrls > Symbols …
10
11.选择 everything 并画出单元: – Utility Menu > Select > Everything – Utility Menu > Plot > Elements 12.约束1号面上的全部自由度(螺栓底面 Z=0): – Main Menu > Preprocessor > Loads > -Loads- Apply > Structural- Displacement > On Areas +
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7. 把SURF154单元的单元坐标(ESYS)改变为11: – Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Move / Modify > Elements- Modify Attrib + – Utility Menu > List > Elements > Nodes + Attributes – Utility Menu > Plot > Elements
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15.画位移 UY: – Main Menu > General Postproc > Plot Results > -Contour PlotNodal Solu ... 16.存储并退出 ANSYS: – Pick the “QUIT” button in the Toolbar
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7. 建立名为 “e_surf”的所有第2类单元的组件: – Utiltity Menu > Select > Comp/Assembly > Create Component ... 8. 关闭单元坐标系: – Utility Menu > PlotCtrls > Symbols …
ANSYS命令流总结(全)
ANSYS结构分析单元功能与特性/可以组成一一些命令，一般是一种总体命令（session),三十也有特殊，比如是处理/POST1! 是注释说明符号，，与其他软件的说明是一样的，ansys不作为命令读取，* 此符号一般是APDL的标识符，也就是ansys的参数化语言，如*do ,,,*enddo等等NSEL的意思是node select，即选择节点。
s就是select，选择。
DIM 是定义数组的意思。
array 数组。
MP命令用来定义材料参数。
K是建立关键点命令。
K,关键点编号,x坐标,y坐标，z坐标。
K, NPT, X, Y, Z是定义关键点，K是命令，NPT是关键点编号，XYZ是坐标。
NUMMRG, keypoint 用这个命令，要保证关键点的位置完全一样，只是关键点号不一样的才行。
这个命令对于重复的线面都可以用。
这个很简单，压缩关键。
Ngen 复制节点e,节点号码：这个命令式通过节点来形成单元NUMCMP,ALL：压缩所有编号，这样你所有的线都会按次序重新编号~你要是需要固定的线固定的标号NSUBST,100,500,50 ：通过指定子步数来设置载荷步的子步LNSRCH线性搜索是求解非线性代数方程组的一种技巧，此法会在一段区间内，以一定的步长逐步搜索根，相比常用的牛顿迭代法所要耗费的计算量大得多，但它可以避免在一些情况下牛顿迭代法出现的跳跃现象。
LNSRCH 激活线性搜索PRED 激活自由度求解预测NEQIT指定一个荷载步中的最大子步数AUTOTS 自动求解控制打开自动时间步长.KBC -指定阶段状或者用跳板装载里面一个负荷步骤。
SPLINE:P1，P2，P3，P4，P5，P6，XV1，YV1，ZV1，XV6，YV6，ZV6（生成分段样条曲线）*DIM，Par，Type，IMAX，JMAX，KMAX，Var1，Var2，Var3（定义载荷数组的名称）【注】Par: 数组名Type： array 数组，如同fortran,下标最小号为1，可以多达三维（缺省）char 字符串组（每个元素最多8个字符）tableIMAX，JMAX，KMAX 各维的最大下标号Var1，Var2，Var3 各维变量名，缺省为row,column,plane(当type 为table时)/config是设置ansys配置参数的命令格式为/CONFIG, Lab, VALUELab为参数名称 value为参数值例如：/config，MXEL，10000的意思是最大单元数为10000杆单元:LINK1、8、10、11、180梁单元：BEAM3、4、23、24，44，54，188，189管单元:PIPE16，17，18，20，59，602D实体元:PLANE2，25，42，82，83，145，146，182，1833D实体元:SOLID45，46，64，65，72，73，92，95，147，148，185，186，187，191壳单元:SHELL28，41，43，51，61，63，91，93，99，143，150，181，208，209弹簧单元:COMBIN7，14，37，39，40质量单元:MASS21接触单元:CONTAC12，52，TARGE169，170，CONTA171，172，173，174，175，178矩阵单元:MATRIX27，50表面效应元:SURF153，154粘弹实体元:VISCO88，89，106，107，108，超弹实体元:HYPER56，58，74，84，86，158耦合场单元:SOLID5，PLANE13，FLUID29，30，38，SOLID62，FLUID79，FLUID80，81，SOLID98，FLUID129，INFIN110，111，FLUID116，130界面单元:INTER192，193，194，195显式动力分析单元:LINK160，BEAM161，PLANE162，SHELL163，SOLID164，COMBI16杆单元单元名称简称节点数节点自由度特性备注LINK1 2D杆 2 Ux,Uy EPCSDGB常用杆元LINK8 3D杆Ux,Uy,Uz EPCSDGBLINK103D仅受拉或仅受压杆EDGB模拟缆索的松弛及间隙LINK11 3D线性调节器EGB模拟液压缸和大转动LINK183D有限应EPCDFG另可考虑粘0 变杆 B 弹塑性E-弹性(Elasticity)，P-塑性(Plasticity)，C-蠕变(Creep)，S-膨胀(Swelling)，D-大变形或大挠度(Large deflection)，F-大应变(Large strain)或有限应变(Finite strain)，B-单元生死(Birth and dead),G-应力刚化(Stress stiffness)或几何刚度(Geometric stiffening)，A-自适应下降(Adaptive descent)等。
(完整版)ANSYS命令流总结(全)
ANSYS结构分析单元功能与特性/可以组成一一些命令，一般是一种总体命令（session),三十也有特殊，比如是处理/POST1! 是注释说明符号，，与其他软件的说明是一样的，ansys不作为命令读取，* 此符号一般是APDL的标识符，也就是ansys的参数化语言，如*do ,,,*enddo等等NSEL的意思是node select，即选择节点。
s就是select，选择。
DIM是定义数组的意思。
array 数组。
MP命令用来定义材料参数。
K是建立关键点命令。
K,关键点编号,x坐标,y坐标，z坐标。
K, NPT, X, Y, Z是定义关键点，K是命令，NPT是关键点编号，XYZ是坐标。
NUMMRG, keypoint 用这个命令，要保证关键点的位置完全一样，只是关键点号不一样的才行。
这个命令对于重复的线面都可以用。
这个很简单，压缩关键。
Ngen 复制节点e,节点号码：这个命令式通过节点来形成单元NUMCMP,ALL：压缩所有编号，这样你所有的线都会按次序重新编号~你要是需要固定的线固定的标号NSUBST,100,500,50：通过指定子步数来设置载荷步的子步LNSRCH线性搜索是求解非线性代数方程组的一种技巧，此法会在一段区间内，以一定的步长逐步搜索根，相比常用的牛顿迭代法所要耗费的计算量大得多，但它可以避免在一些情况下牛顿迭代法出现的跳跃现象。
LNSRCH激活线性搜索PRED 激活自由度求解预测NEQIT指定一个荷载步中的最大子步数AUTOTS 自动求解控制打开自动时间步长.KBC -指定阶段状或者用跳板装载里面一个负荷步骤。
SPLINE:P1，P2，P3，P4，P5，P6，XV1，YV1，ZV1，XV6，YV6，ZV6（生成分段样条曲线）*DIM，Par，Type，IMAX，JMAX，KMAX，Var1，Var2，Var3（定义载荷数组的名称）【注】Par: 数组名Type：array 数组，如同fortran,下标最小号为1，可以多达三维（缺省）char 字符串组（每个元素最多8个字符）tableIMAX，JMAX，KMAX各维的最大下标号Var1，Var2，Var3 各维变量名，缺省为row,column,plane(当type为table时)/config是设置ansys配置参数的命令格式为/CONFIG, Lab, V ALUELab为参数名称value为参数值例如：/config，MXEL，10000的意思是最大单元数为10000杆单元:LINK1、8、10、11、180梁单元：BEAM3、4、23、24，44，54，188，189管单元:PIPE16，17，18，20，59，602D实体元:PLANE2，25，42，82，83，145，146，182，1833D实体元:SOLID45，46，64，65，72，73，92，95，147，148，185，186，187，191壳单元:SHELL28，41，43，51，61，63，91，93，99，143，150，181，208，209弹簧单元:COMBIN7，14，37，39，40质量单元:MASS21接触单元:CONTAC12，52，TARGE169，170，CONTA171，172，173，174，175，178矩阵单元:MATRIX27，50表面效应元:SURF153，154粘弹实体元:VISCO88，89，106，107，108， 超弹实体元:HYPER56，58，74，84，86，158耦合场单元:SOLID5，PLANE13，FLUID29，30，38，SOLID62，FLUID79，FLUID80，81， SOLID98，FLUID129，INFIN110，111，FLUID116，130 界面单元:INTER192，193，194，195 显式动力分析单元:LINK160，BEAM161，PLANE162，SHELL163，SOLID164，COMBI16杆单元(Large deflection)，F-大应变(Large strain)或有限应变(Finite strain)，B-单元生死(Birth and dead),G-应力刚化(Stress stiffness)或几何刚度(Geometric stiffening)，A-自适应下降(Adaptive descent )等。
ANSYS 中的表面效应单元
ANSYS 中的表面效应单元使用表面效应单元施加载荷* 有时，可能需要施加所使用单元不支持的表面载荷，例如：可能需要在实体结构单元上施加沿表面切向或任何方向的均布载荷；在热实体单元的表面上同时施加热流载荷和对流载荷，或者施加指定的辐射，等。
在这种情况，可以用表面效应单元覆盖需要施加载荷的表面并使用它们作为一个管道以施加所需的载荷。
* 目前可以使用的表面效应单元：对二维问题：SURF151和SURF153；对三维问题：SURF152和SURF154。
* 怎样施加如下的压力荷载：–像剪切荷载一样与表面相切的荷载？–像螺栓荷载一样在表面上变化的荷载？–像屋顶上冰载荷一样与面成一定角度的载荷？- 像水压一样的非均布压力载荷？* 表面效应单元为处理这些问题提供了有效的方法。
表面效应单元的特点：* 像“皮肤”一样覆盖在网格表面* 如同面载荷的管道* 很容易创建，一般操作过程如下：- 选择感兴趣表面上的节点；- 激活恰当的单元类型；- 执行 ESURF (或 Preprocessor > Create > Elements > Surf Effect > GenerlSurf > No Extra…)；- 选择所有节点，定义 SURF 单元。
* 对 2-D 和 3-D 模型都有用:– SURF151 & 153 是线单元 (热和结构的)，表示 2-D 模型的边界线。
– SURF152 & 154 是面单元 (热和结构的)，表示 3-D 模型的边界面。
* 本节只讨论 SURF154，其它单元可同样处理。
SURF154 单元，详见参考手册中的描述* SURF154 使用不同的单元面号来接受不同类型的载荷。
* 面号在“Apply PRES on elems”对话框中：Solution > Difine Loads > Apply > Pressures > On Elements，如下所示。
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! ANSYS命令流学习笔记18-表面效应单元surface effect !学习重点：
!1 表面载荷的施加
当施加表面载荷时，在WorkBench中可以很方便地施加。
但其本质也是借助表面效应单元来完成的。
譬如当实体结构表面施加沿切向或者任何方向的均布载荷（甚至不均布?）时，都可以使用表面效应单元。
!2 表面效应单元的建立
表面单元，意思就是要依附于现有单元的表面，利用现有节点形成单元，因此单元增加，而节点不增加。
单元通过制定坐标系方向等，施加不同方向的载荷。
!3 表面效应单元的典型应用
目前可以使用的表面效应单元：对二维问题：SURF151和SURF153；对三维问题：SURF152和SURF154。
151和152为热表面效应单元，153和154为结构表面效应单元。
表面单元可以很好用，如下例子中的通过表面施加扭矩；总之就是定义与表面成各种方向力的载荷。
在热流问题也有广泛应用。
!问题描述
! 在workbench中可以轻松实现其定义，根据图示边界条件，得出位移结果如右图。
这里把此问题转到APDL里运行。
并再熟悉一下接触设定。
（案例参考ansys官方教程，有点不同）
!APDL命令：
finish
/clear
/title,surf effect
~parain,'2s','x_t' !导入当前路径下的2s.x_t文件，包括所有体面线。
实在不想在APDL 里建模了，这是在SCDM中建模导出的文件。
/facet,normal
/replot !单位m、Pa
!!!以上导入x_t模型
et,1,solid185
r,2
real,2
et,2,surf154
mp,ex,1,2.1e11
mp,prxy,1,0.3 !定义材料1为结构钢
mshape,0,3D
mshkey,2
esize,0.0005 !网格无关分析之后，选择该尺寸，因为接触存在，网格需要细分vsweep,all !划分网格
!!!以上定义材料及划分网格
!复习下接触，而且规则形状分开，方便简单划分网格
r,3
mat,1
real,3
et,3,targe170
et,4,conta174
keyopt,4,12,5 !bonded约束
vsel,s,loc,z,0.04,0.05
asel,s,loc,z,0.04
type,3
nsla,s,1
esln,s,0
esurf !根据线创建target170
allsel
vsel,s,loc,z,0,0.04
asel,s,loc,z,0.04
type,4
nsla,s,1
esln,s,0
esurf !根据线创建contact174
!!!以上建立两个体之间的绑定接触
!建立surf154单元，为3D面单元
csys,1
allsel
asel,s,loc,x,0.015 !切换到圆柱坐标系，方便选择圆周上节点
nsla,s,1
mat,1
real,2
type,2
esurf
!!!以上根据节点，生产surf154单元
csys,0
local,100,1,0,0,0
esel,s,type, ,2
emodify,all,esys,100
allsel
!!!以上建立局部圆柱坐标系，并将此坐标系定义为surf单元的单元坐标系finish
/solu
esel,s,type, ,2
sfe,all,2,pres,,10e6 !施加面压力
allsel
nsel,s,loc,z,0
d,all,all !约束底面
!!!以上施加边界条件
allsel
solve !计算
finish
!!!进入后处理
/post1
plnsol,u,sum
plnsol,s,eqv
finish
/eof。