【软件操作】AWB十问十答系列之单元介绍与选择技巧

实体单元：默认的是20节点的solid186单元，去掉中间节点则变为8节点的solid185单元；

壳单元：默认的是8节点的shell281单元，去掉中间节点则变为4节点的shell181单元；

梁单元：默认的是3节点的beam189单元，去掉中间节点则变为2节点的beam188单元。

在Mechanical中点击“mesh”，在Details of  Mesh信息栏中有一个Element Midside Nodes功能（如下图所示），选择Program Controlled为程序默认的单元，Kept为保留中间节点，Dropped则为去掉中间节点，将带中间节点的高阶单元变为无中间节点的低阶单元（如对于实体单元Solid186单元变为Solid185单元）。

方法一：在A的“Setup”下面通过“Transfer Data To New”建立一个“Finite Element Modeler”：

双击B中的“Model”，会弹出一个“Import Summary”的数据表，其中“TABLE 3”如下图，从中可以看出系统默认选取的是Solid186单元。

方法二：在后处理过程中点击“Solution Information”，在窗口右侧显示的Worksheet中显示了整个模型的求解信息和求解过程，其中就包括每个体赋予单元的详细信息。

线性单元：又称一阶单元，指仅在单元角点处布置节点，且在各方向都采用线性插值。二次单元：又称二阶单元，不仅在角点处有节点，还在每条边上布置中间节点，且在各方向上采用二次插值。

完全积分：指当单元具有规则形状时，所用的高斯积分点的数目足以对单元刚度矩阵的多项式进行精确积分。对于六面体和四边形单元而言，所谓“规则状”是指单元的边相交成直角，且任何的节点位于边的中点。减缩积分：减缩积分单元是指比完全积分在每个方向上少用一个积分点。

Ansys提供的单元库中，所有的应力/位移型实体单元和桁架单元只有沿x y z方向的平动自由度，而没有转动自由度；梁单元、壳单元和刚体单元既有沿x y z方向的平动自由度，又有绕x y z方向的转动自由度。

对于使用ANSYS进行的有限元数值模拟，应优先选用带中间节点的单元类型。应力分析、疲劳分析等优先选用三维实体Solid186高阶单元（对应的温度单元为Solid90），当计算网格数量较多时，也可选用Solid185低阶单元（对应的温度单元为Solid70）；屈曲分析、极限载荷分析、模态分析等优先选用壳单元Shell181；二维平面结构优先选用平面单元Plane82；梁结构优先选用梁单元Beam189；接触分析时优先选用Conta173接触单元和Targe170目标单元；垫片优先选用Inter195垫片单元；质量单元优先选用Mass21；其余单元的选取可查询ANSYS帮助文件。根据结构特点也可以选用不同单元进行组合。对于其它有限元模拟软件，单元类型参照上述原则选取。

学过Ansys经典的都知道在很多时候可以选用Solid185增强应变单元，特别是对大模型且网格节点数量比较多的情况下，采用Solid185增强应变单元可在减少计算内存、提高计算效率的情况下得到与Solid186单元精确度相同的计算结果。我个人理解，增强应变单元是用来克服一阶完全积分单元的剪切闭锁问题，克服其单元边不能弯曲变形的。增强应变就是考虑把增强单元变形梯度的附加自由度引入到一阶单元中去，使一阶单元的变形呈线性梯度变化。因而，采用增强应变时一阶单元可得到与二阶单元相当的结果，同时计算时间会明显降低。但他对网格扭曲非常敏感，如果复杂模型且网格扭曲很严重，则及时用增强应变的一阶单元得到的结果页不准确。

目前在AWB中无法直接选择增强应变单元，只有通过插入命令流的方式来定义Solid185增强应变单元。右键点击实体“Solid“选择”Insert Commands (APDL)“插入如下命令流：

*DO,I,1,12

ET,I,Solid185  ！定义了Solid185单元

*ENDDO

*DO,J,1,12

KEYOPT,J,2,2  ！定义了增强应变单元

*ENDDO

在AWB中可以与经典一样选择完全积分或减缩积分单元：鼠标点击“Geometry”，在“details of geometry”下有“element control”一栏，wb默认的是“program control”，将其修改为“manual”就可以了，然后在“part”下点击实体“solid”，这样在“detail of solid”的“definition”中就多了一栏“brick integration scheme”，即可选择“full or reduced”（即完全积分单元和减缩积分单元）。

有限元分析的本质是将无限自由度问题转化为有限自由度问题，将连续体模型转化为由有限个单元组成的离散模型。在分析过程中选取单元类型时往往面临很多种选择。各种单元类型的节点数目、单元形状、插值函数阶次和单元构造方式都有很大差异，每种单元都有其特定的使用范围，要根据分析类型和具体问题合理选择。如果单元类型选取的不正确或不恰当，即使最终可以得到计算结果，这些结果也可能误差较大，甚至是错误的。