ANSYS线性单元和二次单元的选择

2.2.选择线性或高次单元ANSYS程序的单元库包括两种基本类型的面和体单元：线性单元（有或无特殊形状的）和二次单元。这些基本单元类型如图2.1所示，下面来探讨这两种基本类型单元的选择。可用于ANSYS程序中的基本面和体类型（a）线性等参元（b）特殊形状的线性等参元（c）二次单元2.2.1.线性单元（无中间节点）对结构分析，带有附加形函数的角点单元会在合理的计算时间内通常能得到准确的结果。当使用这些单元时，要注意防止在关键区域的退化形式。即避免在结果梯度很大或其它关注的区域使用二维三角形单元和楔形或四面体形的三维线单元。还应避免使用过于扭曲的线性单元，对于非线性结构分析，如果使用线性单元细致地而不是用二次单元相对粗糙的进行网格划分，那么将以很少的花费获得很好的精度。(a)线性单元和(b)二次单元的例子如图2.2所示。当对弯曲壳体建模时，必须选用弯曲的（二次的）或平面（线性）的壳单元，每种选择都有其优缺点，对于多数的实际情况，主要问题利用平面单元以很少的计算时间，即可获得很高精度的结果。但是，必须保证使用足够多的平面单元来创建曲面。明显地，单元越小，准确性越好。推荐三维平面壳单元延伸不要超过15度的弧，圆锥壳（轴对称线）单元应限制在10度的弧以内（或5度如果离Y轴较近）。对多数非结构分析（热、电磁等），线性单元几乎与高次单元有同样好的结果，而且求解费用较低。退化单元（三角形和四面体）通常在非结构分析中产生准确结果。2.2.2.二次单元（带中间节点）对于用退化的单元形式进行的线性结构分析（即二维三角形单元和楔形或三维四面体单元），二次单元通常会以比线性单元的求解费用更低且产生良好的结果。可是，为正确地使用这些单元，需要注意它们的特殊的性质：●对于分布载荷和边压力不象线性单元按“一般意义上”分配到单元节点上（见图2.3所示），单元的中间节点对反力也表现出相同的非直观的解释。●三维带中间节点的热流单元在承受对流载荷时按固定模式分配热流，在中间节点沿一个方向流动而在角点又沿另外方向的流动。●由于中间节点的质量也大于角节点的质点，所以通常将中间节点选为主自由度（对于减缩自由度分析）。单位均布载荷的等效节点分配（a）二维单元（b）三维单元（c）三维三角形单元●由于质量分配不均匀，在动力分析中，如果对波传波感兴趣，不推荐使用带中间节点的单元。●不要使用带中间节点的面单元定义以节点为基础的接触单元(CONTAC12,COMBIN40,CONTAC52,CONTAC175和CONTAC178)或连接间隙单元。类似地，对热问题，不要应用辐射连接或非线性对流表面到带有中间节点的边。节点为基础的接触要同有中间节点的表面接触，中间节点应该去掉。对面－面、线－线和线－面接触单元不用担心（TARGE169,TARGE170,CONTA171,CONTA172,CONTA173,CONTA174,CONTA176和CONTA177）。划分实体模型时提供了一些方法忽略一些中间节点。●当约束一个单元的边缘（或表面）自由度，面上所有的节点包括中间节点在内都要被约束。●单元的角点只能与单元的角点相连，而不能与相邻单元的中间节点相连。相邻的单元应该有相连（或共同的）中间节点●对于有中间节点的单元，通常希望每一个这样的中间节点在相应角点之间连线的中点位置，可是，有时却希望出现在其它地方：○节点沿着弯曲的几何边界通常可产生更准确的分析结果——所有的ANSYS网格划分器缺省地将它们放在那里。○有的内边界也不得不弯曲以防止单元倒置或过于扭曲，ANSYS网格划分器有时也产生这种弯曲。○用带有故意将中间节点偏离中心四分之一点可以模拟裂纹尖端的奇异性，利用ANSYS的KSCON命令可以产生这种特殊的面网格。(MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsConcentratKPsCreate)●中间节点位置可由下面描述的单元形状测试进行检查（对于控制单元形状的检查信息可参见本手册的GeneratingtheMesh）。○除三节点三角形和四节点四面体外的所有实体和壳单元都要进行“实”三维空间与单元本身的“自然”坐标空间一致性映射的测试。雅可比比值过大表明单元过于扭曲，可能是由中间节点的位置设置不当引起的，也可能不是。关于雅可比比值测试的细节，参见TheoryReferencefortheMechanicalAPDLandMechanicalApplications中的单元形状测试部分。●如果不给中间节点指定位置，程序会自动按线性笛卡尔坐标插值将中间节点放在两角点的中间，按此法放置的节点的节点坐标系旋转角度也是按线性插值得到。●在相连单元的公共边应有相同的节点数，当混合单元类型时有必要从一个单元去除中间节点。例如，图2.6中的8点单元与一个4节点单元相连时，应把8节点单元的节点N去掉（或在生成这个单元时给它一个0节点号）。注意：在下列情况下，程序会自动地将线性和二次单元共同一侧的中间节点去掉：一个面（或体）用线性单元划分网格（AMESH、VMESH、FVMESH），然后相邻面（或体）用二次单元划分网格。如果网格划分的次序颠倒了，中间点节则不能去掉（先分二次单元，后分线性单元）。●去掉了中间节点意味着边缘仍保持直的，相应地导致刚度增加，建议只在过渡区域使用去掉中间节点的单元，而不在增加了形函数的简化线单元处使用。如果需要，那么在产生单元之后可利用下列命令增加或去掉中间节点：命令：EMIDEMODIFGUI：MainMenuPreprocessorModelingMove/ModifyElementsAddMidNodesMainMenuPreprocessorModelingMove/ModifyElementsRemoveMidNdMainMenuPreprocessorModelingMove/ModifyElementsModifyNodes●二次单元并不比线性单元的积分点多。因此，在非线性分析中优先使用线性单元。●诸如平面PLANE82的高阶四边形单元的一种网格可由于零变形能而产生奇异。●对后处程序只用截面的角点和隐藏线显示。类似地，节点应力结果的输出和后处理只能对角节点进行。●在图形显示时，曲边形的中间节点单元显示为直线段（除非使用Powergaphics）模型因此看起来比实际的要“粗糙”些。