3D表面效应单元学习总结

什么是表面效应单元

顾名思义,Surf系列单元,就是在现存的实体单元表面上,生成新的单元。将荷载施加在这些表面效应单元上,从而达到将荷载分摊给宿主单元的目的。

为什么需要表面效应单元

我可以在一个面上施加均布荷载,也可以选择在一个节点群上施加均布荷载,还可以直接将荷载施加到任意节点之上,为啥还需要表面效应单元的?的确,表面效应单元只是一个起到过渡的工具,但具备非常强大的功能。举个例子,如果要在某平面上施加任意方向的均布荷载,可以用SF系列命令,配合旋转节点坐标系,对节电群进行操作,这个时候表面效应单元显示不出优势。但是,如果需要施加荷载的面,是一个曲面呢?典型的,风对结构(尤其是建筑结构,曲面屋顶等)的作用,对荷载作用曲面上的节点统一旋转一样的角度,肯定是不对的。这时候就是表面效应单元大展宏图的时候了。其他的还有许多应用,取决于我们想要做什么样的分析罢了。

结构分析中都有那些表面效应单元

常用的,除了王教授《ANSYS工程结构数值分析》第14页中介绍的2D表面效应单元Surf153和3D表面效应单元Surf154之外,还有一个Surf156。

其中,153可在平面单元表面(即面的边界线)上生成效应单元;154可在三维实体单元表面(即体的边界面)生成效应单元;165可在三维实体边界线上生成效应单元。

Surf单元创建方法

主要有两种,最常用的,选择要生成效应单元的面或者线,赋予表面效应单元相关的属性,然后mesh即可;另一种,则类似于生成接触单元的,用esurf命令,以1554单元为例,在三维实体的自由外表面生成新的效应单元。

如何对生成的效应单元施加荷载

使用的命令如下:

SFE, ELEM, LKEY, Lab, KVAL, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4

根据不同的单元,会有不同的表达方式。尤其要注意的,是施加到效应单元的荷载方向,是由“面号”(即帮助文档中的Face NO.)确定的。面号输入在LKEY中,用GUI的同学应该很好理解,因为那一项的旁边写着"Load Key, usually face no. " 下面对154和156单元分别说明。

Surf154单元荷载方向

Keyopt(2)=0时:face1,2,3的方向以单元坐标系为准

face=1(即LKEY=1,下同,不赘述):法向压力,荷载数值为正,则方向为指向单元内部,即为单元坐标系的-z方向;face=2和face=3为单元坐标系的x和y轴方向,用于为实体表面施加切向荷载,建议用ESYS命令确认单元坐标系的方向。

Keyopt(2)=1时:face1,2,3以总体坐标系为准

face=1,face=2,face=3分别对应x,y,z轴方向

face=4:法向压力,且为渐变压力,数值=P1+P2x+P3y+P4z。其中P1-P4需要有SFE的VAL1~VAL4输入,x,y,z为坐标向量,P1为荷载,P2-P4为相应轴向的斜率。下面是一个例子,x方向上有压力渐变,y,z两个方向不考虑,那么命令设置为:(前提是已经选择了需要的单元,所以命令就用all了)。

face=5:施加任意方向荷载,P1为荷载大小,荷载方向用下式定义:

其中Pj=P2;Pk=P3;Pl=P4 ,代表荷载矢量的方向余弦,对数值无影响,也就是说可用i,j,k单位向量直接代替。

另外,若设置Keyopt(11)=0,可只在单元突出部分的表面生成效应单元;keyopt(11)=2则对整个曲面施加相同的压力--这个适合用来模拟风荷载的作用。

关于Surf154的使用方法,建议参考徐瑞做的例子,他的新浪博客打开太慢了,还是去鲁班人的这个转载页面吧。

Surf156的用法

156和154相似的地方,就不赘述了,下面只探讨一下不同点。

首先,是156单元是一个线单元,所以施加在其上的荷载,单位就是力/长度。而且,凡是两点连一线的单元,都有个方向的问题,即“起始点I”与“终止点J”,这也是需要注意的。

Keyopt(2)=0:荷载方向以单元坐标系为准。

face=1,2,3,对应单元坐标系的x,y,z轴方向。如果开启大变形nlgeom,on,荷载方向会随着节点位置的变化而变化,如果I节点所附属的单元发生移动,则该节点跟随移动。如果节点不属于其他节点,则不发生移动。

Keyopt(2)=1:荷载方向以局部坐标系为准

face=1,2,3对应着局部坐标系的x,y,z轴。不过,预先要事先设置好局部坐标系。

face=4:与surf154单元类似,大小是P1,方向的公式与154的那个相同,也是由在总体坐标系下的单位向量和方向余弦构成。

face=5:大小是P1,方向是从I到J;

face=6:大小是P1,方向是从J到I

最后,还有一个问题需要注意的,如果Keyopt(7)=0,也就是默认值,会发生一个情况:输入荷载的单位是力/长度,是一个荷载集度,当“线”的长短发生变化的时候,施加到实体上的力也就发生了变化。如果不希望总的力值不随作用线长短发生变化,则需要设置Keyopt(7)=1即可。

Mark

这个人很懒,还没想好自我介绍

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