AWB十問十答系列之單元介紹與選擇技巧

序言

Ansys Workbench作為安世亞太公司主推的分析軟體現在已更新至19.0版本，筆者最初學習的時候仍舊是14.5版本，公司今年剛購置了18.2版本，不得不說AWB真是一個貴族軟體，購買一個節點花費了94萬，正所謂好馬需要配好鞍，光有好鞍還不行，根本還取決於人駕馭馬的技巧和能力，在最新版本AWB的強大功能下筆者覺得也是學無止境，在14.5版本還沒來得及摸透的情況下，就需要學習新的版本了，筆者自認為現在的水平還遠不具備駕馭好馬的能力。對於初學者來說，不僅要打好理論基礎知識，還要對軟體知根知底，筆者在學習的時候遇到很多問題，只能通過在網上搜索答案，但關於AWB的資料網上也很少，更多的時候需要自己去摸索，現筆者將自己初學時候遇到的一些小問題與大家分享，希望能夠為初學者提供一定的幫助，少走一些彎路，本篇文章主要介紹一下AWB中關於單元的一些問題。

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AWB默認的單元類型？

實體單元：默認的是20節點的solid186單元，去掉中間節點則變為8節點的solid185單元；

殼單元：默認的是8節點的shell281單元，去掉中間節點則變為4節點的shell181單元；

梁單元：默認的是3節點的beam189單元，去掉中間節點則變為2節點的beam188單元。

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如何去掉單元中間節點？

在Mechanical中點擊「mesh」，在Details of Mesh信息欄中有一個Element Midside Nodes功能（如下圖所示），選擇Program Controlled為程序默認的單元，Kept為保留中間節點，Dropped則為去掉中間節點，將帶中間節點的高階單元變為無中間節點的低階單元（如對於實體單元Solid186單元變為Solid185單元）。

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如何查看單元類型？

方法一：在A的「Setup」下面通過「Transfer Data To New」建立一個「Finite Element Modeler」：

雙擊B中的「Model」，會彈出一個「Import Summary」的數據表，其中「TABLE 3」如下圖，從中可以看出系統默認選取的是Solid186單元。

方法二：在後處理過程中點擊「Solution Information」，在窗口右側顯示的Worksheet中顯示了整個模型的求解信息和求解過程，其中就包括每個體賦予單元的詳細信息。

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一階或二階、完全或減縮積分單元？

線性單元：又稱一階單元，指僅在單元角點處布置節點，且在各方向都採用線性插值。

二次單元：又稱二階單元，不僅在角點處有節點，還在每條邊上布置中間節點，且在各方向上採用二次插值。

完全積分：指當單元具有規則形狀時，所用的高斯積分點的數目足以對單元剛度矩陣的多項式進行精確積分。對於六面體和四邊形單元而言，所謂「規則狀」是指單元的邊相交成直角，且任何的節點位於邊的中點。

減縮積分：減縮積分單元是指比完全積分在每個方向上少用一個積分點。

正文

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單元的自由度？

Ansys提供的單元庫中，所有的應力/位移型實體單元和桁架單元只有沿x y z方向的平動自由度，而沒有轉動自由度；梁單元、殼單元和剛體單元既有沿x y z方向的平動自由度，又有繞x y z方向的轉動自由度。

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如何選擇單元？

對於使用ANSYS進行的有限元數值模擬，應優先選用帶中間節點的單元類型。應力分析、疲勞分析等優先選用三維實體Solid186高階單元（對應的溫度單元為Solid90），當計算網格數量較多時，也可選用Solid185低階單元（對應的溫度單元為Solid70）；屈曲分析、極限載荷分析、模態分析等優先選用殼單元Shell181；二維平面結構優先選用平面單元Plane82；梁結構優先選用梁單元Beam189；接觸分析時優先選用Conta173接觸單元和Targe170目標單元；墊片優先選用Inter195墊片單元；質量單元優先選用Mass21；其餘單元的選取可查詢ANSYS幫助文件。根據結構特點也可以選用不同單元進行組合。對於其它有限元模擬軟體，單元類型參照上述原則選取。

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什麼是Solid185增強應變單元？

學過Ansys經典的都知道在很多時候可以選用Solid185增強應變單元，特別是對大模型且網格節點數量比較多的情況下，採用Solid185增強應變單元可在減少計算內存、提高計算效率的情況下得到與Solid186單元精確度相同的計算結果。我個人理解，增強應變單元是用來克服一階完全積分單元的剪切閉鎖問題，克服其單元邊不能彎曲變形的。增強應變就是考慮把增強單元變形梯度的附加自由度引入到一階單元中去，使一階單元的變形呈線性梯度變化。因而，採用增強應變時一階單元可得到與二階單元相當的結果，同時計算時間會明顯降低。但他對網格扭曲非常敏感，如果複雜模型且網格扭曲很嚴重，則及時用增強應變的一階單元得到的結果頁不準確。

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AWB中定義Solid185增強應變單元？

目前在AWB中無法直接選擇增強應變單元，只有通過插入命令流的方式來定義Solid185增強應變單元。右鍵點擊實體「Solid「選擇」Insert Commands (APDL)「插入如下命令流：

*DO,I,1,12

ET,I,Solid185！定義了Solid185單元

*ENDDO

*DO,J,1,12

KEYOPT,J,2,2！定義了增強應變單元

*ENDDO

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AWB中如何選擇完全或減縮積分單元？

在AWB中可以與經典一樣選擇完全積分或減縮積分單元：滑鼠點擊「Geometry」，在「details of geometry」下有「element control」一欄，wb默認的是「program control」，將其修改為「manual」就可以了，然後在「part」下點擊實體「solid」，這樣在「detail of solid」的「definition」中就多了一欄「brick integration scheme」，即可選擇「full or reduced」（即完全積分單元和減縮積分單元）。

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單元選擇對分析結果的影響？

有限元分析的本質是將無限自由度問題轉化為有限自由度問題，將連續體模型轉化為由有限個單元組成的離散模型。在分析過程中選取單元類型時往往面臨很多種選擇。各種單元類型的節點數目、單元形狀、插值函數階次和單元構造方式都有很大差異，每種單元都有其特定的使用範圍，要根據分析類型和具體問題合理選擇。如果單元類型選取的不正確或不恰當，即使最終可以得到計算結果，這些結果也可能誤差較大，甚至是錯誤的。

在這裡，我們願與您一起，亦師亦友，共同學習，共同進步；期待有志者的加入！

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