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ANSYS中杆单元与壳单元耦合问题深度解析

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在比较复杂的结构的有限元分析中,不同的结构部件通常使用不同类型的单元来模拟。
通常情况下,不同类型的单元的各个节点的自由度数目是不同的,不同类型单元的连接节点处的自由度的耦合问题,是一个比较令人头疼的问题。
在ANSYS中通常可以用耦合命令CP来耦合不同类型单元在连接节点处的自由度(DOF)。
也可以用CE命令来认为添加自由度之间的约束方程来达到耦合的目的。

下面是一个简单的算例,使用了CE命令来耦合连接节点处的自由度。

模型是航天器的机翼的一个Section的某一个隔框。上下表皮是薄壳结构,用Shell63单元来模拟,在上下表皮之间有起支撑作用的杆件,用link8单元来模拟。

建模的时候,link8单元和shell63单元在连接有各自独立的节点。即:link8单元和shell63单元的节点在连接处是重合的,但是,节点编号是各自独立的。

link8单元在每个节点有 ux,uy,uz3个平动自由度;
shell63在每个节点有ux,uy,uz这3个平动自由度和rotx,roty,rotz这3个转个自由,共6个自由度。

在耦合节点处,两个耦合节点的ux,uy,uz自由度应该是相等的。
这个等式可以用CE命令来描述。
完整的命令流如下:


finish
/clear,start

/prep7
!定义第一种材料属性;
mp,ex,1,30e6
mp,prxy,1,0.3

!定义shell63单元和实常数;
et,1,shell63
r,1,1e-3

!建立几何模型;
rectng,31.8,33.2,0,0.3556
agen,2,1,1,1,0,0,1

a,1,4,8,5
a,6,7,3,2

KL,7,0.5, ,
KL,3,0.5, ,

在关键点处生成节点;
nkpt,100,4 !与编号为117的节点耦合
nkpt,101,9 !与编号为169的节点耦合
nkpt,102,10 !与编号为120的节点耦合
nkpt,103,7 !与编号为160的节点耦合

mat,1
type,1
real,1

lesize,1,,,6
lesize,3,,,6
lesize,5,,,6
lesize,7,,,6

lesize,9,,,6
lesize,10,,,6
lesize,11,,,6
lesize,12,,,6

lesize,2,,,6
lesize,4,,,6
lesize,6,,,6
lesize,8,,,6

MSHAPE, 0, 2D
MSHKEY, 1
allsel
amesh,all

!定义第二种材料属性;
mp,ex,2,30e4
mp,prxy,2,0.3
!定义link8单元和实常数;
et,2,link8
r,2,28.26e-6

mat,2
type,2
real,2

e,101,102
e,100,101
e,102,103

!CE, NEQN, CONST, NODE1, Lab1, C1, NODE2, Lab2, C2, NODE3, !Lab3, C3

ce,1,0,100,ux,1,117,ux,-1 !节点100的ux=节点117的ux;
ce,2,0,100,uy,1,117,uy,-1 !节点100的uy=节点117的uy;
ce,3,0,100,uz,1,117,uz,-1 !节点100的uz=节点117的uz;

ce,4,0,101,ux,1,169,ux,-1 !同上;
ce,5,0,101,uy,1,169,uy,-1
ce,6,0,101,uz,1,169,uz,-1

ce,7,0,102,ux,1,120,ux,-1
ce,8,0,102,uy,1,120,uy,-1
ce,9,0,102,uz,1,120,uz,-1

ce,10,0,103,ux,1,160,ux,-1
ce,11,0,103,uy,1,160,uy,-1
ce,12,0,103,uz,1,160,uz,-1

!施加约束,底面约束所有的自由度;
DA,1,all
!施加分布载荷;
SFA,2,1,PRES,-1e4
finish

/solu
solve !求解;
finish
/post1

PLNSOL, S,X, 0,1.0
finish



PLNSOL, S,X, 0,1.0 对应的结果云图




PLNSOL, S,EQV, 0,1.0对应的结果云图



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