ANSYS Workbench壳单元静力学分析实例解析

壳单元常用于薄壁件，如容器、板材等，每个节点有6个自由度，即沿XYZ的移动和转动。

WB中壳单元有无中节点的Shell181单元和带中节点的Shell281单元，默认为Shell181单元，在网格属性中Element MIdside Nodes设置为kept即可修改为Shell281单元。

本文将通过工程应用中常遇到的问题作为指引，讨论壳单元的应用问题。

1 使用DM抽中面还是SC抽中面更好？

DM（DesignModeler）和SC（SpaceClaim）软件都可以完成抽中面操作，主要看读者的使用习惯，以下的案例都将介绍两种软件的相关操作，读者也可自行做对比。

2 如何快速自动抽中面？

1）如果在DM中，通过Tool——Mid-Surface抽中面。常规操作是按住Ctrl分别选择零件的两面，可以选择多组一起抽中面。

Mid-Surface也有自动抽中面的功能，Selection Method选择Automatic。Bodies To Search可选择所有体、可见的体、选择的体。Minimum Threshold和Maximum Threshold分别设置要查找的最小厚度与最大厚度。Find Face Pairs Now选择Yes，软件便在模型中查找要转换的体，点击工具栏Generater，便可自动抽中面。

2）如果在SC中，选择准备——中间面，依次选择各个钣金零件的两面，点击√确定。

SC中自动抽中面操作如下，选择准备——中间面，在选项中设置要识别的最小和最大厚度。在点击窗口中的模型即可自动转换。

注：选项中其他选项含义，组中间面表示将抽取的面放在一个新零件内。延伸曲面默认勾选，这个功能很有用，下文将介绍。

3 曲面如何修补？

部分中面抽取失败，或需要修补空洞时，可使用修补和删除边功能。

如果在DM中，通过Tool——Surface Patch修补。按住Ctrl选择各边，点击Generate重新生成后缺面将被修补。对于孔洞，可使用Create——Delete——Edge Delete删除边线，即可填补孔洞。

2.如果在SC中，选择修复——缺失的面，图形中所有开放面将高亮显示，选择要修补得地方，软件将自动填补，然后点击Esc退出。

对于孔洞，在SC中可直接选中，然后按键盘Delete删除，即可填补孔洞。

4 抽壳后曲面相互分离不接触问题怎么解决？

在工程应用中，最常遇到的问题是抽中面之后，各个壳零件相互之间产生间隙，处于相互分离状态，导致计算失败。如下图3块钣金组焊而成而的水池，在DM中通过Tool——Mid-Surface抽中面。抽中面后如下图，可见钣金之间出现了缝隙。

可以通过以下两种方法解决此问题。

方法1，修剪模型，消除间隙。

1）如果在DM中，则可使用Tool——Surface Extension延伸曲面。在Edges中选择需要延伸的面，Extent中选择To Next。

延伸后效果如下。

延伸后一般还需要组合为一个多体零件：选择所有面体，右击选择From New Part组合为一个体。

2）如果在SC中，操作更简单。

选择准备——中间面，依次选择三个钣金零件的两面，点击√确定，抽取的面会自动延伸缝合（因为选项默认勾选了延伸曲面）。如果有自动延伸失败的面，只需要点击准备——延伸，图形会以高亮边提示哪些边需要延伸，依次选择后点击√即可。

抽面完后后还是需要组合各面。在特征树中选择总文件，设置属性中的共享拓扑为共享，即相当于DM中的From New Part。

方法2，不修剪模型，在Mechanical中添加接触。

以下分别介绍添加网格接触和自动生成接触的方法。

1）添加网格接触。

右击特征树中Mesh——Insert——Manual Mesh Connection，在属性中，Contact选择各面，Target选择需要接触的边，Tolerance Slider设置-100（即滑条拉倒最左端），其余默认。

2）自动生成接触。

右击特征树中Connections——Insert——Connection Group，在属性中，Tolerance Slider设置-100，Target选择需要接触的边，Tolerance Slider设置-100（即滑条拉倒最左端），Face/Edge修改为Yes，即允许添加面-边接触，其余默认。

设置完成后右击特征树中的Connection Group——Create Automatic Connections，即生成了几对绑定接触，注意校对，本例中Contact Region 2与Contact Region 2是多余的，需要删除。

3）手动添加接触。

右击Connections——Insert——Manual Contact Region，属性中Contact选择所有边，Target选择所有面。

相比于方法1与方法2，更推荐方法1，因为添加接触不光麻烦而且容易出错，特别是自动生成的接触，需要操作者仔细核对哪些接触是不需要的。方法1中使用SC修改模型方便高效，应用越来越广。

5 曲面/壳法向如何修改？

通过以下实例说明此问题：

实例1：焊接而成的水箱，底部固定，内壁承受1MPa的压强，求变形。

Step1 通过SC自动抽中面，并设置拓扑共享。

Step2 分析前设置。

进入Mechanical，划分网格，施加边界条件。

施加压强时如下图，可见，右下角的挡板只能施加在外表面，和我们的意图相反。

Step3 添加变形结果并计算。

从结果可见，右下侧板的压强方向不正确。

当然我们可以通过对这块板单独施加-1Mpa的压强解决此案例，但是这种方法并不是万能的，在一些复杂模型中不适应。

壳单元有正面和反面，正面也被称为法向，所有的载荷和约束都只能加载在法向面。在Mechanical中，选择曲面，被上色的一面就是法向面。

如何修改法向的方向呢？

1）如果在DM中，通过选中曲面查看是否上色可以判断处哪一面是法向面，这和Mechanical中查看方法一样。如何要修改法向，在DM中选择Tool——Surface Flip，选择需要反向的壳，即可将法向反转方向。修改后检查From New Part。

2）如果在SC中，通过测量——法线，在图形窗口框选零件，即显示壳的法向箭头。

此时（选中测量——法线后），右击要反转的面——反转面的法线，即可修改面法向。

回到Mechanical重新设置边界条件，计算结果如下。

6 壳单元与梁单元如何连接？

壳单元与梁单元都拥有6个自由度，如果壳与梁直接没有间隙，则可通过From New Part共享节点（或SC中的拓扑共享）。

如果壳与梁之间有间隙，则不能共享节点，需要建立连接关系。以下通过实例详解。

实例2：由20x20x2的矩管与6mm的钢板焊接而成的平台，底部固定，平台承受1000N向下的力，求变形与应力。

Step1 模型处理。

新建项目，导入模型，然后通过SC打开编辑。

点击准备——（横梁）抽取，点击模型中的方管，转换为梁线。点击准备——（分析）中间面，选择平台的两面，抽取中间面。

处理后可见梁之间不相交，而且梁线与壳面是分离的。

点击设计——（编辑）拖动，点击竖梁的上顶点，选择下图箭头所指命令（或快捷键U），然后选择要延伸至的横梁，竖梁的上顶点便延伸到了横梁上。完后四条竖梁顶点延伸后点击Esc退出。

点击准备——（横梁）连接，在选项中设置合适的只，直到横梁定向显示高亮，点击√确认，便完成了梁线的修剪。

处理完后梁相交了，但是面与梁之间还是分离的，点击测量——距离，按住Ctrl同时选择横梁与平面，显示距离为13mm。后面在Mechanical中建立连接，详见下文。

通过SC可快速抽取和修剪梁线，但是SC处理后的梁截面相当于自定义的截面，不能添加Beam Tool计算结果，也不能添加等效应力、剪切应力等结果，只能通过Worksheet添加梁的直接应力、弯曲应力、组合应力等，多有不便，为了解决此问题。还需要到DM中添加软件预定义的截面。

退出SC，使用DM编辑，选择Concept——Cross Section——Rectangular Tube（矩管），设置矩管为20x20x2，再给每根梁线赋予此截面。在特征树中选择所有梁线——右击——From New Part，使梁之间共节点。

Step2 计算前设置。

进入Mechanical，添加连接：右击特征树中Connections——Insert——Manual Contact Region，属性窗口中，Connect选择四根横梁，Target选择平面，接触器Pinball Region设置为半径Radius，并将半径Pinball Radius设置为＞13（间隙值）的数值。