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Ansys自由度耦合


问题: 如下图所示 block 单元和 beam 单元如何连接在 一起?

先看例子:

FINI /CLE /FILNAME,BEAM_AND_SOLID_ELEMENTS_CONNECTION !定义工作文件名 /TITLE,COUPLE_AND_CONSTRAINT_EQUATION !定义工作名 /PREP7 ET,1,SOLID9

5 !定义实体单元类型为 SOLID95 ET,2,BEAM4 !定义梁单元类型为 BEAM4 MP,EX,1,3E4 !定义材料的弹性模量 MP,PRXY,1,0.3 !定义泊松比 R,1 !定义实体单元实常数 R,2,10.0,10/12.0,1000/12.0,10.0,1.0 !定义梁单元实常数 BLC4,,,20,7,10 !创建矩形块为实体模型 WPOFFS,0,3.5 !将工作平面向 Y 方向移动 3.5 WPROTA,0,90 !将工作平面绕 X 轴旋转 90 度 VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开 WPOFFS,0,5 !将工作平面向 Y 方向移动 5 WPROTA,0,90 !将工作平面绕 X 轴旋转 90 度 VSBW,ALL !将实体沿工作平面剖开

WPCSYS,-1 !将工作平面设为与总体笛卡儿坐标一致 K,100,20,3.5,5 !创建关键点 K,101,120,3.5,5 !创建关键点 L,100,101 !连接关键点生成梁的线实体 LSEL,S,LOC,X,21,130 !选择梁线 LATT,1,2,2 !指定梁的单元属性 LESIZE,ALL,,,10 !指定梁上的单元份数 LMESH,ALL !划分梁单元 VSEL,ALL !选择所有实体 VATT,1,1,1 !设置实体的单元属性 ESIZE,1 !指定实体单元尺寸 MSHAPE,0,2D !设置实体单元为 2D MSHKEY,1 !设置为映射网格划分方法 VMESH,ALL !划分实体单元 ALLS !全选 FINI !退出前处理 /SOLU !进入求解器 ASEL,S,LOC,X,0 !选择实体的端面 DA,ALL,ALL !约束实体端面 ALLS !全选 FK,101,FY,-3.0 !在两端施加 Y 向压力 CP,1,UX,1,21 !耦合节点 1 和节点 21X 方向自由度 CP,2,UY,1,21 !耦合节点 1 和节点 21Y 方向自由度 CP,3,UZ,1,21 !耦合节点 1 和节点 21Z 方向自由度

CE,1,0,626,UX,1,2328,UX,-1,1,ROTY,-ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !设置约 束方程 CE,2,0,67,UX,1,4283,UX,-1,1,ROTZ,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束 方程 CE,3,0,67,UZ,1,4283,UZ,-1,1,ROTX,-ABS(NY(67)-NY(4283)) !设置约束 方程 ALLS !全选 SOLVE !保存 FINI !退出求解器 /POST1 !进入通用后处理 PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !显示 Y 方向位移 PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !显示等效应力 ETABLE,ZL1,SMISC,1 !读取梁单元上 I 节点 X 方向的力 ETABLE,ZL2,SMISC,7 !读取梁单元上 J 节点 X 方向的力 ETABLE,MZ1,SMISC,6 !读取梁单元上 I 节点 Z 方向的力矩 ETABLE,MZ2,SMISC,12 !读取梁单元上 J 节点 Z 方向的力矩 PLETAB,ZL1 !显示梁单元 X 方向的力 PLETAB,MZ1 !显示梁单元 Z 方向力矩

ansys 中联系自由度的方法(CE)——耦合和约束方程 CE 命令 1 耦合 当需要迫使两个或多个自由度取得相同(但未知)值,可以将这些自由度耦合在 一起。耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度。 典型的耦合自由度应用包括: "模型部分包含对称; "在两重复节点间形成销钉、铰链、万向节和滑动连接; "迫使模型的一部分表现为刚体。 如何生成耦合自由度集 1.在给定节点处生成并修改耦合自由度集 命令:CP GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Couple DOFs 在生成一个耦合节点集之后,通过执行一个另外的耦合操作(保证用相同的参考 编号集)将更多节点加到耦合集中来。也可用选择逻辑来耦合所选节点的相应自 由度。用 CP 命令输入负的节点号来删除耦合集中的节点。要修改一耦合自由度 集(即增、删节点或改变自由度标记)可用 CPNGEN 命令。(不能由 GUI 直接得 到 CPNBGEN 命令)。 2.耦合重合节点。 CPINTF 命令通过在每对重合节点上定义自由度标记生成一耦合集而实现对模型 中重合节点的耦合。此操作对“扣紧”几对节点(诸如一条缝处)尤为有用。 命令:CPINTF GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Coincident Nodes 3.除耦合重复节点外,还可用下列替换方法迫使节点有相同的表现方式: o 如果对重复节点所有自由度都要进行耦合,常用 NUMMRG 命令(GUI:Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge Items)合并节点。 o 可用 EINTF 命令(GUI:Main Menu> Preprocessor>Create> Elements >At Coincid Nd)通在重复节点对之间生成 2 节点单元来连接它们。 o 用 CEINTF 命令(GUI:Main Menu>Preprocessor> Coupling/Ceqn >Adjacent Regions)将两个有不相似网格模式的区域连接起来。这项操作使一个区域的选 定节点与另一个区域的选定单元连接起来生成约束方程。 生成更多的耦合集 一旦有了一个或多个耦合集,可用这些方法生成另外的耦合集: 1.用下列方法以相同的节点号但与已有模式集不同的自由度标记生成新的耦合 集。 命令:CPLGEN GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Gen w/Same Nodes 2.用下列方法生成与已有耦合集不同(均匀增加的)节点编号但有相同的自由度 标记的新的耦合集: 命令:CPSGEN GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Gen w/Same DOF 使用耦合注意事项 1.每个耦合的节点都在节点坐标系下进行耦合操作。 通常应当保持节点坐标系的 一致性。

2.自由度是在一个集内耦合而不是集之间的耦合。 不允许一个自由度出现在多于 一个耦合集中。 3.由 D 或共它约束命令指定的自由度值不能包括在耦合集中。 4.在减缩自由度分析中,如果主自由度要从耦合自由度集中选取,只有主节点的 自由度才能被指定为主自由度。 5.在结构分析中,耦合自由度以生成一刚体区域有时会引起明显的平衡破坏。不 重复的或不与耦合位移方向一致的一个耦合节点集会产生外加力矩但不出现在 反力中。 2 约束方程 约束方程提供了比耦合更通用的联系自由度的方法。有如下形式:

这里 U(I)是自由度,N 是方程中项的编号。 如何生成约束方程 1.直接生成约束方程 1.直接生成约束方程 直接生成约束方程: 命令:CE GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Constraint Eqn 下面为一个典型的约束方程应用的例子,力矩的传递是由 BEAM3 单元与 PLANE42 单元(PLANE42 单元无平面转动自由度)的连接来完成的:

图 12-1 建立旋转和平移自由度的关系 如果不用约束方程则节点 2 处表现为一个铰链。 下述方法可在梁和平面应力单元 之间传递力矩,自由度之间满足下面的约束方程: ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10 0 = UY3 - UY1 - 10*ROTZ2 相应的 ANSYS 命令为: CE,1,0,3,UY,1,1,UY,-1,2,ROTZ,-10 修改约束方程 在 PREP7 或 SOLUTION 中修改约束方程中的常数项: 命令:CECMOD GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Modify ConstrEqn Main Menu>Preprocessor>Loads>Other>Modify ConstrEqn Main Menu>Solution>Other>Modify ConstrEqn 如果要修改约束方程中的其它项,必须在求解前在 PREP7 中用使 CE 命令(或相 应 GUI 途径)。

2.自动生成约束方程 2.自动生成约束方程 生成刚性区域 CERIG 命令通过写约束方程定义一个刚性区域。通过连接一主节点到许多从节点 来定义刚性区。(此操作中的主自由度与减缩自由度分析的主自由度是不同的) 命令:CERIG GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Rigid Region 将 CERIG 命令的 Ldof 设置为 ALL(缺省),此操作将为每对二维空间的约束节 点生成三个方程。这三个方程在总体笛卡尔空间确定三个刚体运动(UX、UY、 ROTZ)。为在二维模型上生成一个刚性区域,必须保证 X─Y 平面为刚性平面, 并且在每个约束节点有 UX、UY 和 ROTZ 三个自由度。类似地,此操作也可在三维 空间为每对约束节点生成六个方程, 在每个约束节点上必须有 (UX、 UZ、 UY、 ROTX、 ROY 和 ROTZ)六个自由度。 输入其它标记的 Ldof 域将有不同的作用。如果此区域设置为 UXYZ,程序在二维 (X,Y)空间将写两个约束方程,而在三维空间(X、Y、Z)将写三个约束方程。 这些方程将写成从节点的平移自由度和主节点的平移和转动自由度。类似地, RXYZ 标记允许生成忽略从节点的平移自由度的部分方程。其它标记的 Ldof 将生 成其它类型的约束方程。 总之,从节点只需要由 Ldof 标记的自由度,但主节点必须有所有的平移和转动 自由度(即二维的 UX、UY 和 ROTZ;三维的 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ)。 对由没有转动自由度单元组成的模型, 应当考虑增加一个虚拟的梁单元以在主节 点上提供旋转自由度。 将疏密不同的已划分网格区域连在一起 可将一个区域(网格较密)的已选节点与另一个区域(网格较稀)的已选单元用 CEINTF 命令(菜单途径 Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Adjacent Regions)连起来生成约束方程。

这项操作将不相容网格形式的区域“系”在一起。在两区域的交界处,从网 格稠密的区域选择节点 A,从网格粗糙区域选择单元 B,用区域 B 单元的形函数, 在相关的区域 A 和 B 界面的节点处写约束方程。ANSYS 允许这些节点位置使用两 公差准则。节点在单元之外超过第一公差就认为节点不在界面上。节点贴近单元 表面的距离小于第二公差则将节点移到表面上,见下图。

对 CEINTF 命令有些限制:应力或热通量可能会不连续地穿过界面。界面区 域的节点不能指定位移。可用每节点有六个自由度的单元接合 6 自由度实体。 从已有约束方程集生成约束方程集 可用 CESGEN 命令从已有约束方程集生成约束方程。那么已有约束方程集内的节 点编号将增加以生成另外的约束方程集。 另外约束方程集的标记和系数保持与原 集的一致。 命令:CESGEN GUI: Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn >Gen w/same DOF

使用约束方程的注意事项 "所有的约束方程都以小转动理论为基础。 因此, 它应用在大转动分析中 〔NLGEOM〕 应当限制在约束方程所包含的自由度方向无重大变化的情况。 "约束方程的出现将产生不可预料的反力和节点力结果。 "由于相邻区域网格疏密不同,边界上的相容性仍然存在。但是当网格越密,这 种不相容的危害就越小。

CE, NEQN, CONST, NODE1, Lab1, C1, NODE2, Lab2, C2, NODE3, Lab3, C3 定义自由度约束方程

如果不用约束方程则节点 2 处表现为一个铰链。 下述方法可在梁和平面应力 单元之间传递力矩,自由度之间满足下面的约束方程: ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10 0 = UY3 - UY1 - 10*ROTZ2 相应的 ANSYS 命令为: CE,1,0,3,UY,1,1,UY,-1,2,ROTZ,-10


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