第二講單元與材料類型

碩士研究生學(xué)位課程講義（2014）第1章ANSYS與結(jié)構(gòu)分析1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.2結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.3結(jié)構(gòu)分析材料類型與特點(diǎn)1.4結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)建模1.5結(jié)構(gòu)分析的基本過程1通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.1.1處理器2通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.1.2文件格式3通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.1.3輸入方式ANSYS的輸入方式常規(guī)可分為菜單方式、命令方式、宏方式、函數(shù)方式、文件方式等。從使用角度分為兩大類，即GUI（GraphicalUserInterface）方式和命令流方式。GUI方式包括菜單、命令、函數(shù)其組合，即通過點(diǎn)選菜單或輸入單個(gè)命令的方式。菜單方式是用鼠標(biāo)在菜單上進(jìn)行選取，通過對(duì)話框完成各種操作；命令方式是從命令行輸入命令及命令域的值，因ANSYS提供聯(lián)想式命令提示；函數(shù)方式也是從命令行中輸入，但僅輸入命令本身，其命令域的值將通過對(duì)話框輸入。GUI方式的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易學(xué)，但對(duì)于復(fù)雜模型或?qū)嶋H模型的修改等比較麻煩。4通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.1.3輸入方式命令流方式是融GUI方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC，甚至TCL/TK于一個(gè)文本文件中，可通過/input命令（或UtilityMenu>File>ReadInputFrom…）讀入并執(zhí)行，也可通過拷貝該文件的內(nèi)容粘貼到命令行中執(zhí)行。命令流方式可包含上述多種方式，例如僅僅將命令羅列起來相當(dāng)于命令方式，這對(duì)于初學(xué)者而言可能更容易接受。命令流方式的主要優(yōu)點(diǎn)有：①修改簡(jiǎn)單：不必考慮因操作錯(cuò)誤造成模型的重大損失，也不必考慮DB文件的重要性而不斷保存；可以隨時(shí)修改參數(shù)進(jìn)而改變幾何模型和有限元模型等，一切都變得那么簡(jiǎn)單和方便。5通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.1ANSYS功能與軟件結(jié)構(gòu)1.1.3輸入方式②可使用控制命令：類似如if-then、do等控制命令的使用可大大提高工作效率。③可結(jié)合用戶界面處理：可將其它用戶界面相關(guān)的命令融于命令流中。④文件處理更加方便：文件的輸入和輸出可由用戶控制，數(shù)據(jù)的處理將極其方便。⑤交流和保存方便：命令流文件比較小便于保存，對(duì)于相互交流學(xué)習(xí)甚為方便。所以強(qiáng)烈推薦使用命令流方式進(jìn)行操作?。?通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性7通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.1桿單元桿單元適用于模擬桁架、纜索、鏈桿、彈簧等構(gòu)件。該類單元只承受桿軸向的拉壓，不承受彎矩，節(jié)點(diǎn)只有平動(dòng)自由度。不同的單元具有彈性、塑性、蠕變、膨脹、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大撓度（也稱大變形）、大應(yīng)變（也稱有限應(yīng)變）、應(yīng)力剛化（也稱幾何剛度、初始應(yīng)力剛度等）等功能，表1-4是該類單元較詳細(xì)的特性。8通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.1桿單元桿單元特性表1-4

9通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.1桿單元E-彈性(Elasticity)，P-塑性(Plasticity)，C-蠕變(Creep)，S-膨脹(Swelling)，D-大變形或大撓度(Largedeflection)，F(xiàn)-大應(yīng)變(Largestrain)或有限應(yīng)變(Finitestrain)，B-單元生死(Birthanddead),G-應(yīng)力剛化(Stressstiffness)或幾何剛度(Geometricstiffening)，A-自適應(yīng)下降(Adaptivedescent)等。10通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.1桿單元單元使用另外應(yīng)注意的問題：⑴桿單元均為均質(zhì)直桿，面積和長(zhǎng)度不能為零（LINK11無面積參數(shù)）。僅承受桿端荷載，溫度沿桿元長(zhǎng)線性變化。桿元中的應(yīng)力相同，可考慮初應(yīng)變。⑵LINK10屬非線性單元，需迭代求解。LINK11可作用線荷載；僅有集中質(zhì)量方式。⑶LINK180無實(shí)常數(shù)型初應(yīng)變，但可輸入初應(yīng)力文件，可考慮附加質(zhì)量；大變形分析時(shí)，橫截面面積可以是變化的，即可為軸向伸長(zhǎng)的函數(shù)或剛性的。11通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.1桿單元⑷通常用LINK1和LINK8模擬桁架結(jié)構(gòu)，如屋架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架橋、桅桿、塔架等結(jié)構(gòu)，以及吊橋的吊桿、拱橋的系桿等構(gòu)件，必須注意線性靜力分析時(shí)，結(jié)構(gòu)不能是幾何可變的，否則造成位移超限的提示錯(cuò)誤。LINK10可模擬繩索、地基彈簧、支座等，如斜拉橋的斜拉索、懸索、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、纜風(fēng)索、彈性地基、橡膠支座等。LINK180除不具備雙線性特性(LINK10)外，它均可應(yīng)用于上述結(jié)構(gòu)中，并且其可應(yīng)用的非線性性質(zhì)更加廣泛，增加了粘彈塑性材料。⑸LINK1、LINK8和LINK180單元還可用于普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的模擬，其初應(yīng)變可作為施加預(yù)應(yīng)力的方式之一。12通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.2梁?jiǎn)卧?/p>

梁?jiǎn)卧譃槎喾N單元，分別具有不同的特性，是一類軸向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)(3D)單元。該類單元有常用的2D/3D彈性梁元、塑性梁元、漸變不對(duì)稱梁元、3D薄壁梁元及有限應(yīng)變梁元。此類單元除BEAM189實(shí)為3節(jié)點(diǎn)外，其余均為2節(jié)點(diǎn)，但有些輔以另外的節(jié)點(diǎn)決定單元的方向（如表1-5中的節(jié)點(diǎn)數(shù)）。13通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.2梁?jiǎn)卧?-514通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.2梁?jiǎn)卧獑卧褂昧硗鈶?yīng)注意的問題：⑴梁?jiǎn)卧娣e和長(zhǎng)度不能為零，且2D梁元必須位于XY平面內(nèi)。⑵剪切變形的影響：當(dāng)梁的高度遠(yuǎn)小于跨度時(shí)可忽略剪切變形的影響。經(jīng)典梁元基于變形前后垂直于中面的截面變形后仍保持垂直的Kirchhoff假定，例如當(dāng)剪切變形系數(shù)為零時(shí)的BEAM3或BEAM4。但考慮剪切變形的梁彎曲理論中，仍假定原來垂直于中面的截面變形后仍保持平面，（但不一定垂直），ANSYS考慮剪切變形影響采用兩種方法，即在經(jīng)典梁元的基礎(chǔ)上引入剪切變形系數(shù)(BEAM3/4/23/24/44/54)和Timoshenko梁元(BEAM188/189)，前者的截面轉(zhuǎn)角由撓度的一次導(dǎo)數(shù)導(dǎo)出，而后者則采用了撓度和截面轉(zhuǎn)角各自獨(dú)立插值，這是兩者的根本區(qū)別。15通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.2梁?jiǎn)卧亲杂啥柔尫牛毫涸心軌蚶米杂啥柔尫诺膯卧蠦EAM44單元，通過keyopt(7)和keyopt(8)設(shè)定釋放I節(jié)點(diǎn)和J節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度。而高版本中的BEAM188/189也可通過ENDRELEASE命令對(duì)自由度進(jìn)行釋放，如將剛性節(jié)點(diǎn)設(shè)為球鉸等。⑷梁截面特性：能夠采用梁截面特性的有BEAM44和BEAM188/189三個(gè)單元。BEAM44截面不變時(shí)才能采用梁截面，在不使用梁截面而輸入實(shí)常數(shù)時(shí)可以采用變截面。BEAM188/189在V8.0以上版本中可使用變截面的梁截面，且可以采用不同材料組成的梁截面，而BEAM44則不可。同時(shí)BEAM188/189支持約束扭轉(zhuǎn)，通過激活第七個(gè)自由度使用。16通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.2梁?jiǎn)卧葿EAM23/24實(shí)常數(shù)的輸入比較復(fù)雜。BEAM23可輸入矩形截面、薄壁圓管、圓桿和一般截面的幾何尺寸來定義截面。BEAM24則通過一系列的矩形段來定義截面。⑹荷載特性：梁?jiǎn)卧蠖嘀С謫卧玳g分布荷載、集中荷載和節(jié)點(diǎn)荷載。但BEAM188/189不支持跨間集中荷載和跨間部分分布荷載。特別注意的是梁?jiǎn)卧姆植己奢d是施加在單元上，而不是施加在幾何線上。⑺應(yīng)力計(jì)算：對(duì)于輸入實(shí)常數(shù)的梁元，其截面高度僅用于計(jì)算彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力，并且假定其最外層纖維到中性軸的距離為梁高的一半。因此關(guān)于水平軸不對(duì)稱的截面，其應(yīng)力計(jì)算是沒有意義的。17通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.3管單元

管單元是一類軸向拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)的3D單元，單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有6個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度Ux、Uy、Uz和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rotx、Roty、Rotz，此類單元以3D梁元為基礎(chǔ)，包含了對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸的簡(jiǎn)化特性。該類單元有直管、T型管、彎管和沉管四種單元類型，詳細(xì)特性如表1-6所示。18通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.3管單元管單元特性表1-619通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.3管單元管單元使用應(yīng)注意的其他問題：⑴管元長(zhǎng)度、直徑及壁厚均不能為零。⑵可計(jì)算薄壁管和厚壁管，但某些應(yīng)力的計(jì)算是基于薄壁管理論的。⑶管單元計(jì)入了剪切變形的影響，并可考慮應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)和撓曲系數(shù)。20通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.4

2D實(shí)體單元

2D實(shí)體單元是一類平面單元，可用于平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對(duì)稱問題的分析，此類單元均位于XY平面內(nèi)，且軸對(duì)稱分析時(shí)Y軸為對(duì)稱軸。單元由不同的節(jié)點(diǎn)組成，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度均為2個(gè)（諧結(jié)構(gòu)實(shí)體單元除外），即Ux和Uy。各種單元的具體特性如表1-7所示。21通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.4

2D實(shí)體單元22通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.4

2D實(shí)體單元單元使用應(yīng)注意的其他問題：⑴單元插值函數(shù)及說明:

PLANE2是協(xié)調(diào)元。PLANE42可為協(xié)調(diào)元或?yàn)榉菂f(xié)調(diào)元，當(dāng)退化時(shí)為常應(yīng)變?nèi)切螁卧?。PLANE82是PLANE42的高階單元，采用3次插值函數(shù)。PLANE182與PLANE42具有相同的插值函數(shù)，但無附加位移函數(shù)項(xiàng)；也可退化為3節(jié)點(diǎn)三角形。PLANE183是PLANE182的高階單元，與PLANE82的插值函數(shù)相同，也可退化為6節(jié)點(diǎn)三角形。P單元的插值函數(shù)可為2～8次，其中PLANE145是8節(jié)點(diǎn)四邊形單元，而PLANE146是6節(jié)點(diǎn)的三角形單元。23通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.4

2D實(shí)體單元⑵荷載特性：大多支持單元邊界的分布荷載及節(jié)點(diǎn)荷載，可考慮溫度荷載，支持初應(yīng)力文件等。特別地對(duì)平面應(yīng)力輸入單元厚度時(shí)，施加的分布荷載不是線荷載（力/長(zhǎng)度），而是面荷載（力/面積）；如果不輸入單元厚度，則為單位厚度。⑶其它特點(diǎn)：四邊形單元均可退化為三角形單元。除P單元和諧結(jié)構(gòu)單元不支持讀入初應(yīng)力外，其余均支持。除4節(jié)點(diǎn)單元支持非協(xié)調(diào)選項(xiàng)外，其余都不支持。除4節(jié)點(diǎn)單元外，其余單元都適合曲邊模型或不規(guī)則模型。24通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.53D實(shí)體單元3D實(shí)體單元用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，此類單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有三個(gè)自由度，即Ux、Uy、Uz三個(gè)平動(dòng)自由度，各種單元的特性如表1-8所示。25通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.53D實(shí)體單元表1-826通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.53D實(shí)體單元單元使用應(yīng)注意的問題：⑴關(guān)于SOLID72/73單元：SOLID72是4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體元，SOLID73是8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體元，這兩個(gè)單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有6個(gè)自由度，即Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz。在較高版本中ANSYS已不再推薦使用，幫助文件中也不再介紹，但用命令流仍然可用。原因之一是新的求解器PCG和SOLID92/95可以較好的解決原有的求解問題；之二是防止不同單元使用中“誤用”轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，例如與BEAM或SHELL混合建模時(shí)誤用轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。27通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.53D實(shí)體單元⑵其它特點(diǎn)：除8節(jié)點(diǎn)單元具有非協(xié)調(diào)單元選項(xiàng)外，其余均不支持；除8節(jié)點(diǎn)單元外，其余均適合曲邊模型或不規(guī)則模型；除10節(jié)點(diǎn)單元不能退化外，其余單元皆可退化為棱柱體和四面體單元，且SOLID95/186又可退化為金字塔（也稱寶塔）單元。⑶SOLID185積分方式可選擇：完全積分的方法、減縮積分、增強(qiáng)應(yīng)變模式和簡(jiǎn)化的增強(qiáng)應(yīng)變模式。且SOLID185/186/187單元均具有位移插值模式和混合插值模式（u-P插值），以模擬幾乎不可壓縮的彈塑材料和完全不可壓縮的超彈材料。28通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.6殼單元?dú)卧梢阅M平板和曲殼一類結(jié)構(gòu)。殼元比梁元和實(shí)體元要復(fù)雜的多，因此殼類單元中各種單元的選項(xiàng)很多。如節(jié)點(diǎn)與自由度、材料、特性、退化、協(xié)調(diào)與非協(xié)調(diào)、完全積分與減縮積分、面內(nèi)剛度選擇、剪切變形、節(jié)點(diǎn)偏置等，應(yīng)詳細(xì)了解各種單元的使用說明。表1-9給出了板殼單元的簡(jiǎn)明特點(diǎn)。29通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.6殼單元表1-9表中節(jié)點(diǎn)自由度欄中：Uxyz表示Ux、Uy、Uz；Rxyz表示Rotx、Roty、Rotz30通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.6殼單元單元使用應(yīng)注意的問題：⑴通常不計(jì)剪切變形的殼元用于薄板殼結(jié)構(gòu)，而計(jì)入剪切變形的殼元用于中厚度板殼結(jié)構(gòu)。當(dāng)計(jì)入剪切變形的殼元用于很薄的板殼結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生“剪切閉鎖”為防止出現(xiàn)剪切閉鎖，一般采用減縮積分或假設(shè)剪應(yīng)變等方法，這兩種方法對(duì)于Timoshenko梁效果是一樣的，但對(duì)于板殼元是不同的。減縮積分比較常用，雖然有可能導(dǎo)致“零能模式”（zeroenergymode），但一般是在板殼較厚且單元很少時(shí)發(fā)生，這在實(shí)際情況中出現(xiàn)的較少，且板殼較厚時(shí)可選擇完全積分。31通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.6殼單元⑵其它特點(diǎn)：除8節(jié)點(diǎn)殼元外均具有非協(xié)調(diào)元選項(xiàng)。除SHELL28/51/61外均可退化為三角形形狀的單元。僅SHELL181支持讀入初應(yīng)力。僅SHELL93/181支持減縮積分。僅SHELL43/63/143具有面內(nèi)Allman剛度選項(xiàng)，SHELL181具有Drill剛度選項(xiàng)。大多數(shù)平板殼單元適合不規(guī)則模型和直曲殼模型，但一般限制單元間的交角不大于15°。除SHELL28外，均支持變厚度、面荷載及溫度荷載。32通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.7彈簧單元彈簧單元是一類專門模擬“彈簧”行為的單元，不同于用結(jié)構(gòu)單元（如LINK等）的模擬。此類單元當(dāng)用于一般彈簧時(shí)比較簡(jiǎn)單，而當(dāng)具有控制作用時(shí)，則比較復(fù)雜。此類單元主要用于模擬鉸銷、軸向彈簧、扭簧及其控制行為，但都不考慮彎曲作用，且此類單元均無面荷載和體荷載。每個(gè)單元的功能和特性如表1-10所示，其詳細(xì)使用方法參見相關(guān)資料。33通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.7彈簧單元34通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.8質(zhì)量單元MASS21為具有6個(gè)自由度的點(diǎn)單元，即只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)自由度可為Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，通過不同設(shè)置可僅考慮2D或3D內(nèi)的平動(dòng)自由度及其組合，它每個(gè)坐標(biāo)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該單元無面荷載和體荷載，支持彈性、大變形和生死單元。35通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.9接觸單元

ANSYS支持三種接觸方式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面和面對(duì)面的接觸，接觸單元是覆蓋在模型單元的接觸面之上的一層單元。點(diǎn)點(diǎn)單元用于模擬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接觸行為，且預(yù)先知道接觸位置；點(diǎn)面單元用于模擬點(diǎn)對(duì)面的接觸行為，預(yù)先不要確定接觸位置，接觸面之間的網(wǎng)格不要求一致；面面單元用于模擬面對(duì)面的接觸行為，支持低階和高階單元，支持大變形行為等。各種單元的特性如表1-11所示。36通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.9接觸單元①節(jié)點(diǎn)自由度欄中U---Ux，Uy，Uz(3D)，T--Temp，V--Vol，A--Az，M--Mag，R—Rotz②CONTAC26（點(diǎn)對(duì)地基元）、CONTAC48/49（2D/3D點(diǎn)面元）在高版本中不再支持。表1-1137通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.10矩陣單元MATRIX27為剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣單元，可表示一種任意的單元。本單元具有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可重合或不重合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz。該單元無面荷載和體荷載，但支持單元生死功能。其矩陣可為對(duì)稱或不對(duì)稱形式，通過Keyopt(3)設(shè)置為剛度矩陣、或阻尼矩陣、或質(zhì)量矩陣。本單元可模擬任意類型的單元，如可模擬特殊彈簧和節(jié)點(diǎn)柔性連接等。38通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.10矩陣單元MATRIX50為超單元，它是預(yù)先裝配好的可獨(dú)立使用的一組單元。該單元無節(jié)點(diǎn)和實(shí)常數(shù)，其自由度數(shù)目由所包含的單元決定，其面荷載和體荷載可通過總的載荷向量和比例系數(shù)施加，該單元支持大變形功能。該單元不能包含基于拉格朗日乘子的單元（如MPC184等），不支持非線性（忽略所包含的單元非線性）。超單元可包含其它超單元，2D超單元只能用于二維分析，而3D超單元?jiǎng)t只能用于三維分析。39通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.11表面效應(yīng)單元SURF153和SURF154分別為2D和3D結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)單元，可用于各種荷載（法向、切向、法向漸變、輸入矢量方向等）及表面效應(yīng)（基礎(chǔ)剛度、表面張力及附加質(zhì)量等）情況，可覆蓋于任何二維（軸對(duì)稱諧結(jié)構(gòu)單元PLANE25/83除外）和三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元表面。此類單元的主要特性如表1-12所示。40通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.11表面效應(yīng)單元表1-1241通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.12預(yù)緊、多點(diǎn)約束、網(wǎng)分單元⑴PRETS179為2D/3D預(yù)緊單元，用于定義網(wǎng)分后的二維或三維結(jié)構(gòu)預(yù)緊區(qū)，可由任意結(jié)構(gòu)單元（桿、梁、管、殼、2D實(shí)體和3D實(shí)體）建立。該單元具有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)自由度Ux，該Ux為預(yù)緊方向的位移，ANSYS通過幾何條件將預(yù)緊力施加到指定的預(yù)緊荷載方向上，而不必考慮模型是如何定義的。該單元不支持面荷載和體荷載，僅支持非線性特性；不能使用約束方程和自由度耦合，NROTAT命令不能用于節(jié)點(diǎn)K，且K節(jié)點(diǎn)必須位于整體直角坐標(biāo)系。42通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.12預(yù)緊、多點(diǎn)約束、網(wǎng)分單元⑵MPC184為多點(diǎn)約束單元，有剛性桿、剛性梁、滑移、球形、銷釘、萬向接頭的約束，適用于使用拉格朗日乘子的具有運(yùn)動(dòng)約束時(shí)情況，該單元可用于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，如起重機(jī)、挖掘機(jī)、汽車、機(jī)床和機(jī)器人等。該單元有2個(gè)或3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有Ux、Uy(2D)或Ux、Uy、Uz(3D)或Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz(3D)自由度。無實(shí)常數(shù)和面荷載，支持溫度荷載及轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，支持大變形和單元生死。43通用有限元程序ANSYS及其應(yīng)用1.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元功能與特性1.2.12預(yù)緊、多點(diǎn)約束、網(wǎng)分單元⑶MESH200是僅用來劃分網(wǎng)格的單元，對(duì)計(jì)算結(jié)果毫無影響。它是為實(shí)現(xiàn)多步網(wǎng)格劃分的操作而設(shè)計(jì)的。該單元可用于劃分兩維或三維空間的線，三維空間中的三角形、四邊形、四面體或六面體單元組成的面或體，且均包括有或沒有中間節(jié)點(diǎn)的情況。MESH200單元可與任意其它單元一起使用，當(dāng)不再需要它時(shí)，可以將其刪除或保留。該單元可由2～20個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，且不具有自由度、材料特性、實(shí)常數(shù)及荷載。利用EMODIF命令可將MESH200單元轉(zhuǎn)換成其它單元類型。44通