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随着科技的不断发展，结构分析在工程领域中扮演着越来越重要的角色。在进行结构分析时，选择合适的分析单元类型是关键的一步。Ansys作为结构分析领域的顶级软件，提供了丰富的分析单元类型，以满足不同工程需求。本文将全面介绍Ansys中常见的结构分析单元类型及其特点，帮助更好地了解和选择合适的分析单元类型。
一、Ansys结构分析常见单元类型
梁单元是用于螺栓(杆)，薄壁管件，C 形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应 力和弯应力的情况)等模型。
①单元Beam3：
Beam3单元是一个单轴单元，可以承受拉、压、弯的作用。该单元的每个节点有三个自由度，即沿x、y方向的线位移和绕Z轴的角位移。
②单元Beam4：
Beam4是一种单轴受力单元，可以用来承受拉力、压力、弯曲和扭曲。该单元在每个节点有六个自由度：x、y、线位移和绕x三个方向z，y,z三轴的角位移。可用于计算应力硬化和大变形的问题。考虑大变形(有限旋转)的分析，采用相容切线刚度矩阵的选项。
③单元BEAM44：
BEAM44是一种单轴梁，具有承受拉力、压力、扭转和弯曲的能力。每个单元节点有6个自由度：x、y、z方向的平移和x、y、z轴向旋转。该单元允许不对称的端面结构，并允许端面节点偏离截面的中心位置。如不需要这些特性，可选择均质对称的BEAM4单元。同时也可选择相同类型的2D单元(BEAM54)。BEAM188和BEAM189用于替代非线性材料。
①LINK1单元可用于不同的工程应用。根据具体应用，该单元可以模拟桁架、链杆和弹簧。这种二维杆单元是一种可以承受单轴压力的单元，因为每个节点的自由度只考虑X和Y的线位移。该单元不能承受弯矩，因为它只用于铰接结构。
②LINK8单元是一种可用于各种工程实际的杆元素。该元素可用于桁架、垂直电缆、杆件、弹簧等。这种三维杆元素只能承受单轴的压力，每个节点有三个自由度:x,y,以及Z方向的位移。在销钉结构中，元素不能弯曲。塑性，潜变，膨胀，应力强化，大变形(plasticity,creep,swelling,stressstiffening,andlargedeflection)所有这些都是允许的。这个元素在ANSYSTheoryReference的14.8中有更详细的介绍。只能承受拉压的LINK10可供参考。
①PIPE16单元
pipe16是一种单轴单元，具有拉压、扭转、弯曲的性能。该单元在两个节点上有六个自由度：沿节点X，Y,Z方向的平移和绕结点X，Y,旋转Z轴。该单元基于三维梁单元(BEAM4)，包括简化基于对称性和标准管的几何尺寸。
②PIPE17单元
PIPE17是一个单元，由三个单轴弹性管（PIPE16）按T型组成，包括压缩、扭转和弯曲能力。每个节点有六个自由度：节点X、Y、Z向平移和绕X方向，Y、Z轴的转角。
T型接头的弹性、应力强度系数、力输出等都有一些选项。这个单元可以解决绝缘问题，包括流体和腐蚀余度。
③PIPE20单元
管道20单元是一种单轴单元，具有拉伸、弯曲和扭转性能。每个单元节点有6个自由度：沿节点坐标x，y,Z方向位移和绕节点坐标x，y,z轴转动。
该单元具有塑性、蠕变和膨胀特性。如果不需要使用这些功能，可以使用弹性管单元来管理16。您可以选择打印单元坐标系中单元的力和瞬态功能。
①PLANE2单元
PLANE2是一个与8节点PLANE82单元兼容的6节点三角形单元。该单元具有二次位移函数，能更好地适应不规则的模型网格(例如由不同的CAD/CAM系统产生的模型)。
该单元有六个节点，每个节点有两个自由度，即x和y方向的平移，可用作平面单元(平面应力或平面应变)或轴对称单元。该单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形和大应变能力。
②PLANE13单元
PLANE13具有2维磁、热、电、压电和结构场分析能力，并且可以在各个领域之间实现有限的耦合。这个单元有四个节点，每个节点最多有四个自由度。该单元具有非线性磁性能力，用于建模B-H曲线或永磁体退磁曲线。PLANE13单元具有较大的变形和应力刚度。PLANE13单元在纯结构分析中也具有较大的应变能力。
③PLANE25单元
PLANE25用于建模承受非轴对称载荷的2维轴对称结构。这种载荷的例子包括弯曲、剪切或扭转。这个单元有四个节点，每个节点有三个自由度。–节点在x、y、z方向平移。对于未旋转的节点坐标，其方向分别对应径向、轴向和切线方向(圆周方向)。该单元是PLANE42的版本，由2维轴对称实体单元推广到非轴对称载荷。
①SHEL41单元
SHEL41是一个三维单元，平面内有膜强度，但平面外没有弯曲强度。这是独特的外壳结构，因为它的单元弯曲是次要的。每个节点有三个自由度：沿节点x，y,z轴向的运动。
该单元具有变厚、应变强度、大偏差和材料选择。参考ANSYS理论第14.41节，您可以获得更多关于该单元的细节。另一个只有薄膜的单元可以被视为SHELL63。
②SHEL43单元
SHEL43适用于模拟线性、弯曲和适当厚度的壳体结构。单元中的每个节点都有六个自由度：沿xx的自由度、y和z方向的平动自由度以及绕x的平动自由度、y和z轴的旋转自由度。平面两个方向的形状必须是线性的。对于平面外的运动，采用张量组的混合内插法（amixedinterpolationoftensorialcomponents）。
该单元具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形、大应变等特点。ANSYS是该单元更详细的性能，Inc.TheoryReference中的SHELL43。如果是薄壳或塑性和蠕变，不需要考虑弹性四边性壳单元(SHELL63)。如果遇到收敛困难或需要考虑大应变，可以选择SHELL181单元。当然，对于非线性结构分析，我们建议选择SHELL181单元。
③SHEL93单元
SHEL93单元特别适合曲壳模型。该单元的每个节点都有6个自由度：沿节点坐标系XX、Y、沿节点坐标XZ方向的平动和平动、Y、Z轴的旋转。变形在两个方向上都是二次的。
该单元具有塑性、应力刚化、大变形、大应变的能力。
弹簧-阻尼单元，可以用来模拟弹簧和阻尼器
①COMBIN14 单元：
COMBIN14具有1维、2维或3维应用中的轴向或扭转性能。轴向弹簧阻尼器选项为一维拉伸或压缩单元。每个节点有三个自由度：x,y,z的轴向运动。它不能考虑弯曲或扭转。扭转弹簧阻尼器选项为纯扭转单元。每个节点有三个自由度：x,y,z的旋转。它不能考虑弯曲或轴向力。
②COMBIN37单元：
COMBIN37是一个单向单元，在分析过程中具有打开和关闭的性能。该单元的每个节点只有一个自由度，可以是沿节点坐标方向的平移，绕节点坐标轴的旋转，压力或温度。COMBIN7描述了具有更多性能的控制单元(6自由度和大变形)。COMBIN14、COMBIN39、andCOMBIN40等单向单元(无距离大的控制性能)。该单元有许多应用，如控制热流(自动调温器)作为温度功能的机械控制功能，以及减速器的阻尼功能。
③COMBIN39单元：
COMBIN39 是一个具有非线性功能的单向单元，可对此单元输入广义的力－变形曲线。该单元可用于任何分析之中。在一维、二维和三维的应用中，本单元都有轴向或扭转功能。轴向选项（longitudinal） 代表轴向拉压单元，每个节点具有3 个自由度：沿节点坐标系X，Y，Z 的平动，不考虑弯曲和扭转。扭转选项（torsional） 代表纯扭单元，每个节点具有3 个自由度：绕节点坐标轴X，Y， Z 的转动，不考虑弯曲和轴向荷载。
此单元仅当每个节点有两个或者三个自由度的时候，才可以具有大位移的功能。
ANSYS通常会引起许多复杂的单元类型的注意，如何选择正确的单元类型也是一个令人头疼的问题。
1、明确不同单元类型的特点和适用范围。根据Ansys的官方文件，Ansys提供了许多单元类型，如梁单元、壳单元和体单元。梁单元适用于分析横截面小、长度大的部件，如钢梁和桁架。壳单元适用于分析压力容器和飞机外壳等宏观情况。体单元适用于分析三维形状的部件，如车身和机械部件。
当建模开始时，用户会做出许多决定（有意或无意）来确定如何模拟物理系统的数值；分析的目标是什么？该模型是物理系统的全部或部分？该模型将包含多少细节？选择什么样的单元？有限元网格的密度是多少？简而言之，您将平衡要回答的问题的计算成本（CPU时间等）。以及结果的准确性。你在计划阶段做出的这些决定通常会控制你分析的成功。
2、考虑不同单元类型的优缺点。梁单元具有计算速度快、计算精度高的优点，但假设构件为直线形状，不适合弯曲或复杂形状。壳单元可以更好地模拟薄壁结构，但对于较厚的结构，需要使用更复杂的壳单元类型。身体单元可以准确模拟结构的三维形状，但计算量大，对计算机性能要求高。
3、考虑结构分析的目的和要求。如果只需要获得整体应力和变形分布，那么使用低级单元就可以满足需求。如果需要更准确的结果，如局部应力集中分析或接触问题分析，则需要考虑使用高级单元。
4、选择一些单元的方法
①杆单元（Link）VS梁单元(Beam)
这很容易理解。杆单元只能承受沿杆方向的拉力或压力，杆单元不能承受弯矩，这是杆单元的基本特征。梁单元既能承受拉力、压力，又能承受弯矩。如果你想在结构中承受弯矩，你不能选择杆单元。对于梁单元，常用的有三种:beam3、beam4和beam188。它们的区别在于:
1)beam3是一种2D梁单元，只能解决2D问题。
2)beam4是一种3D梁单元，可以解决3D空间梁的问题。
3)beam188是一种3D梁单元，可根据需要定制梁的截面形状。
②实体单元VS壳单元
对于薄壁结构，最好选择shell单元。shell单元可以减少计算量。如果非要使用实体单元，也可以，但计算量会大大增加。而且，如果选择实体单元，当薄壁结构承受弯矩时，如果厚度方向的单元层数过少，有时计算结果误差较大，则不如shell单元准确。
对于工程师和设计师而言，正确选择合适的单元类型进行Ansys结构分析是非常关键的。只有根据实际情况和需求，选择合适的单元类型，才能获得准确可靠的分析结果。
总结起来，Ansys提供了多种不同的单元类型，每种单元类型都有其特点和适用范围。我们应该根据具体的工程问题和分析需求，选择合适的单元类型，并充分考虑其优缺点。只有在正确选择单元类型的基础上，才能进行准确可靠的Ansys结构分析。
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