ANSYS中单元的选择

在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。

按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。

杆系结构：其杆件特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的梁。

元类型有杆、梁和管单元（一般单称为线单元）。

板壳结构：是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。

单元为壳单元。

实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。

单元为3D实体单元和2D 实体单元。

杆系结构：
①当构件15>L/h≥4时，采用考虑剪切变形的梁单元。

（h为杆系的高度）
②当构件L/h≥15时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。

③BEAM18X系列可不必考虑L/h的值，但在使用时必须达到一定程度的网格密度。

对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必须考虑剪切变形的影响。

板壳结构：
当L/h<5～8时为厚板，应采用实体单元。

（h为板壳的厚度）当5～8<L/h<80～100时为薄板，选2D体元或壳元
当L/h>80～100时,采用薄膜单元。

对于壳类结构，一般R/h≥20为薄壳结构，可选择薄壳单元，否则选择中厚壳单元。

对于既非梁亦非板壳结构，可选择3D实体单元。

杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。

该类单元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动自由度。

不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应刚化（也称几何刚度、初始应力刚度等）等功能
⑴杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（LINK11无面积参数）。

仅承受杆端荷载，温度沿杆元长线性变化。

杆元中的应力相同，可考虑初应变。

⑵LINK10属非线性单元，需迭代求解。

LINK11可作用线荷载；仅有集中质量方式。

⑶LINK180无实常数型初应变，但可输入初应力文件，可考虑附加质量；大变形分析时，横截面面积可以是变化的，即可为轴向伸长的函数或刚性的。

⑷通常用LINK1和LINK8模拟桁架结构，如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以及吊桥的吊杆、拱桥的系杆等构件，必须注意线性静力分析时，结构不能是几何可
变的，否则造成位移超限的提示错误。

LINK10可模拟绳索、地基弹簧、支座等，如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。

LINK180除不具备双线性特性(LINK10)外，它均可应用于上述结构中，并且其可应用的非线性性质更加广泛，增加了粘弹塑性材料。

⑸LINK1、LINK8和LINK180单元还可用于普通钢筋和预应力钢筋的模拟，其初应变可作为施加预应力的方式之一。

梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转(3D)单元。

该类单元有常用的2D/3D弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D薄壁梁元及有限应变梁元。

此类单元除BEAM189实为3节点外，其余均为2节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向（如表1-5中的节点数）。

单元使用另外应注意的问题：
⑴梁单元面积和长度不能为零，且2D梁元必须位于XY平面内。

⑵剪切变形的影响：当梁的高度远小于跨度时可忽略剪切变形的影响。

经典梁元基于变形前后垂直于中面的截面变形后仍保持垂直的Kirchhoff假定，例如当剪切变形系数为零时的BEAM3或BEAM4。

但考虑剪切变形的梁弯曲理论中，仍假定原来垂直于中面的截面变形后仍保持平面，（但不一定垂直），ANSYS考虑剪切变形影响采用两种方法，即在经典梁元
的基础上引入剪切变形系数(BEAM3/4/23/24/44/54)和Timoshenko梁元(BEAM188/189)，前者的截面转角由挠度的一次导数导出，而后者则采用了挠度和截面转角各自独立插值，这是两者的根本区别。

⑶自由度释放：梁元中能够利用自由度释放的单元有BEAM44单元，通过keyopt(7)和keyopt(8)设定释放I节点和J 节点的各个自由度。

而高版本中的 BEAM188/189也可通过ENDRELEASE命令对自由度进行释放，如将刚性节点设为球铰等。

⑷梁截面特性：能够采用梁截面特性的有BEAM44 和BEAM188/189三个单元。

BEAM44截面不变时才能采用梁截面，在不使用梁截面而输入实常数时可以采用变截面。

BEAM188/189在V8.0以上版本中可使用变截面的梁截面，且可以采用不同材料组成的梁截面，而BEAM44则不可。

同时BEAM188/189支持约束扭转，通过激活第七个自由度使用。

⑸BEAM23/24实常数的输入比较复杂。

BEAM23可输入矩形截面、薄壁圆管、圆杆和一般截面的几何尺寸来定义截面。

BEAM24则通过一系列的矩形段来定义截面。

⑹荷载特性：梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载和节点荷载。

但BEAM188/189不支持跨间集中荷载和跨间部分分布荷载。

特别注意的是梁单元的
⑺应力计算：对于输入实常数的梁元，其截分布荷载是施加在单元上，而不是施加在几何线上。

面高度仅用于计算弯曲应力和热应力，并且假定其最外层纤维到中性轴的距离为梁高的一半。

因此关于水平轴不对称的截面，其应力计算是没有意义的。

2D实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、平面应变和轴对称问题的分析，此类单元均位于XY平面内，且轴对称分析时Y轴为对称轴。

单元由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为2个（谐结构实体单元除外），即Ux和Uy。

⑴单元插值函数及说明: PLANE2 是协调元。

PLANE42可为协调元或为非协调元，当退化时为常应变三角形单元。

PLANE82是PLANE42的高阶单元，采用3次插值函数。

PLANE182与PLANE42具有相同的插值函数，但无附加位移函数项；也可退化为3节点三角形。

PLANE183是PLANE182的高阶单元，与PLANE82的插值函数相同，也可退化为6节点三角形。

P单元的插值函数可为2～8次，其中PLANE145是8节点四边形单元，而PLANE146是6节点的三角形单元。

⑵荷载特性：大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载，可考虑温度荷载，支持初应力文件等。

特别地对平面应力输入单元厚度时，施加的分布荷载不是线荷载（力/长度），而是面荷载（力/面积）；如果不输入单元厚度，则为单位厚度。

⑶其它特点：
四边形单元均可退化为三角形单元。

除P单元和谐结构单元不支持读入初应力外，其余均支持。

除4节点单元支持非协调选项外，其余都不支持。

除4节点单元外，其余单元都适合曲边模型或不规则模型。

3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每个节点均具有三个自由度，即Ux、Uy、Uz三个平动自由度单元使用应注意的问题：⑴关于SOLID72/73单元：SOLID72是4节点四面体实体元，SOLID73是8节点六面体实体元，这两个单元每个节点均具有6 个自由度，即Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz。

在较高版本中ANSYS已不再推荐使用，帮助文件中也不再介绍，但用命令流仍然可用。

原因之一是新的求解器PCG和SOLID92/95可以较好的解决原有的求解问题；之二是防止不同单元使用中“误用”转动自由度，例如与BEAM或SHELL混合建模时误用转动自由度。

⑵其它特点：
除8节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持除8节点单元外，其余均适合曲边模型或不规则模型除10节点单元不能退化外，其余单元皆可退化为棱柱体和四面体单元，且SOLID95/186又可退化为金字塔（也称宝塔）单元。

⑶SOLID185积分方式可选择：完全积分的方法、减缩积分、增强应变模式和简化的增强应变模式。

且 SOLID185/186/187单元
均具有位移插值模式和混合插值模式（u-P插值），以模拟几乎不可压缩的弹塑材料和完全不可压缩的超弹材料。

壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。

壳元比梁元和实体元要复杂的多，因此壳类单元中各种单元的选项很多。

如节点与自由度、材料、特性、退化、协调与非协调、完全积分与减缩积分、面内刚度选择、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各种单元的使用说明。

杆、梁单元→板壳单元→实体单元
附表。