ANSYS单元类型连接专题：Solid-Beam单元无缝对接

不同单元类型连接，对初学者来说一直是个困扰，笔者在学习ANSYS的时候，也遇到了这个问题。

我们知道，相同自由度的单元（如Beam-Shell）进行连接时，可以直接使用共节点连接；而不同自由度的单元连接时，需要建立约束方程。 注意：单元自由度的异同有两个含义，即单元的自由度个数和自由度的物理意义。

为了给大家进行软件操作演示，笔者随便瞎编乱造了一个结构：横截面为10mm×10mm，长度为200mm的方形梁，底端开了一个直径为5mm的孔，模型如下。

我们知道，细长结构，我们可以使用Beam单元进行分析，可偏偏有好事者在一个完美的梁结构上开了个孔，这样直接导致我们无法对其整体使用Beam单元了，那这样的结构我们该如何处理呢？提供以下两种方法：
 

方法一：对整个结构使用Solid单元进行分析；

方法二：孔附近使用Solid单元，其余位置使用Beam单元。这样就引入了不同单元类型连接的问题。

为了比较不同单元类型连接后的精度，笔者建立了两个静力学项目：一个是全部使用Solid单元进行分析的模型 solid；另一个是使用Solid单元和Beam单元连接起来分析的 solid_beam。

打开workbench，建立两个静力学项目，分别命名为“solid”和“solid-shell”，并导入建立的几何模型。

一、solid-beam计算。

Step1：双击“solid-shell”项目的B3 Geometry，打开SCDM模块。

Step2：在SCDM模块中，建立一个基准面并使用该基准面切割方形梁。

Step3：在SCDM模块的Prepare中，使用Extract命令来抽取较长一段的线体模型。

Step4：回到Workbench中，双击B4 Model，进入Mechanical。

Step5：点击模型树中的Connections，选择Body-Body中的Fixed，建立一个固定副。在Details of ******中，将Reference中的Scope选择为线体模型的一个端点；将Mobile中的Scope选择为实体模型的一个端面,并将Behavior设置为Deformable。

Step6：网格划分。自由网格划分，网格尺寸1mm。

Step7：施加载荷和边界条件。一端施加-Y方向100N的力，另一端固定。

Step8：后处理设置。

点击solution（B6），将Post Processing中的Beam Section Results设置为Yes，这样就可以输出梁单元的截面结果（如Mises应力等）了。

Step9：求解。

Step10：后处理。

提取计算结果文件中的整体变形、整体应力和圆孔面上的应力如下。

1.整体变形。提取变形结果，我们发现：最大变形量为1.616mm，且Solid单元和Beam单元连接位置处的变形是协调的。

2.整体应力。提取应力结果，我们发现：最大应力值为169.02 MPa （应力奇异位置，应力值失真），且Solid单元和Beam单元连接位置处的应力也是协调的。
 

3. 圆孔面上的应力。应力最大值为125.19MPa（此结果非精确结果，如想得到精确结果需要进一步细化网格）。

二、solid计算。

为了与solid-beam模型计算的结果进行比较，计算时我们使用与solid-beam模型相同的材料模型、单元尺寸和类型、载荷、边界条件。

计算完成后，提取计算结果文件中的整体变形、整体应力和圆孔面上的应力如下。

1.整体变形。提取变形结果，我们发现：最大变形量为1.616mm。

2.整体应力。提取应力结果，我们发现：最大应力值为169.02 MPa （应力奇异位置，应力值失真）。
 

3. 圆孔面上的应力。应力最大值为125.09MPa（此结果非精确结果，如想得到精确结果需要进一步细化网格）。

通过对比两次计算的结果发现：

1）全部使用Solid单元进行分析和使用Solid单元和Beam单元连接起来进行分析， 计算结果几乎完全一致；

2）使用Solid单元和Beam单元建模和全部使用solid单元进行建模相比，节点数量大大减少， 显著降低了计算量。
 

三、连接原理。

在Workbench中，我们很容易就建立了solid-beam的连接，那么，软件究竟是根据什么原理建立的呢？我们去ANSYS经典中一探究竟。

通过查看单元类型我们发现，ANSYS生成了计算用的5种单元类型。而我们没有定义接触，怎么会有接触单元174和目标单元170呢？

通过查看接触向导我们发现，ANSYS生成了一个 单点控制接触，控制节点为173184。看到这我们就大概明白了，在梁模型和实体模型接触的位置，软件建立了一个170点目标单元，在实体模型的端面上，软件建立了174单元。使用170单元的173184节点控制174单元上的节点。

那么端面上的实体单元又是怎么和梁单元连接的呢？我们发现，还有一个 MPC184单元没派上用场。我们单独显示MPC184单元，发现它连接了173183和173184节点，173184就是我们刚才提到的控制节点，而173183为软件在梁模型的端点上建立的170单元上的节点。

至此，本文完结。

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