对两种方法的计算结果作比较 ,如表 1 所示 ; 根据结果得出 ,M PC 方法在方便快捷的前提下计算精度 和传统方法相近 。

　　表1 应力位移分析结果 方法 传统法 MPC 法 悬臂端位移 单元最大主 单元最大等

　　使用 M PC 方便了建模过程中不同单元的连 接 ,克服了传统多点约束法对大量节点逐一建立约 束方程的缺点 ; 在使用的过程中有以下需要注意的几点 : 3 接触面节点上不能施加 M PC 以外的位移边 界条件或者其他约束耦合方程 。因为接触节点的某 些自由度已在 M PC 约束过程中删除 , 另行施加其 他约束时会引起 “过度约束” 现象 。 3 求解时推荐使用 Spar se 、 、 Pcg Amg 求解器 。 3 需要设置接触单元的 keyop t ( 4) 为 1 或 2 以 指定节点搜索 ,否则系统发出警告并默认为 2 。 3 壳 - 实体连接经常应用在实体网格划分在 壳厚度方向上较壳更精细的情况 。交接面务必选择 在可按照壳理论计算的区域 , 其附近区域至少在壳 厚度范围内计算精度是没有保障的 ; 建议实体单元 在连接面的壳厚度方向上至少划分两个以上单元 。 3 应用力分配面约束时 ,接触节点过多会造成 整刚矩阵波前长度增大 , 从而引起组合刚度矩阵时 内存需求峰值显著上升 ; 在计算机内存不足时可考 虑减少节点数目 。 3 后处理时接触单元不支持 etable ,p resol 等 命令 。

　　摘 : 介绍 Ansys 内置的多点约束在有限元单元连接及几何约束中的应用 。 要 关键词 : 多点约束 ,单元连接 ,几何约束 中图分类号 : TU201. 4 空间有限元程序 Ansys 已经在我们的设计 、 研 究中发挥了及其重要的作用 , 其中建立模型是有限元分析 的一个基础工作 ; 如果对力学模型没做到正确的 模拟 ,后续的分网 、 、 加载 求解将失去意义 。 不同单元的连接在建模中是常用而且有可能会出现 问题的环节 ,本文探讨了 Ansys 的多点约束技术在 不同单元连接中的应用 。 3 在约束中自动考虑形函数 。力分配面约束 时 ,高阶单元和轴对称单元不需输入权重系数 ; 并可 对主节点同时施加力 、 位移

　　多点约束与传统方法相比方便了不同单元的组 装 ,结合粘结接触技术使用可以定义多种单元连接 和几何约束 : 3 实体 - 实体连接 : 接触 、 目标面附着在实体 单元表面 ; 3 壳 - 壳连接 :接触、 目标面附着在壳单元表面 ; 3 壳 - 实体连接 : 接触面和目标面分别附着在 壳与实体单元 ; 3 梁 - 实体 ( 壳) 连接 : 梁端节点作为主节点通 过刚体面位移约束或力分配面约束的形式连接实 体、 壳单元接触面上的从节点 ; 3 刚体面位移约束 : 接触点位移和主节点所定 义的刚体运动保持一致 ; 3 力分配面约束 : 施加在主节点上的力或位移 通过形函数分配到从节点 。 这种内置的多点约束方法克服了传统连接算法 和 ansys 其他多点约束工具的缺点 ,如 : 3 删除接触节点的相关自由度 ,节省了计算资源 ; 3 无需输入接触节点的刚度 。对小变形问题 , 方程 ( 组) 不作循环求解 ,反应线性行为 ; 对大变形问 题 ,M PC 方程进行循环迭代求解 。这从根本上克服 了传统约束方法中对小应变的限制 。 3 线位移和角位移都能约束 ; 3 定义连接对单元 ,方便了约束 ;

　　设置 co nta 单元的 keyopt ( 2 ) 选项以指定使用 M PC ,接 触 单 元 必 须 设 置 的 选 项 有 keyopt ( 2 ) 、 keyopt ( 12 ) 、keyop t ( 4 ) ; 然 后 定 义 co nta 单 元 和 targe 单元组成“连接对” 。这样的一个过程中 , 根据模拟 对象的真实的情况需要对 “连接对” 单元的其他选项进 行设定 。 2. 1 实体 - 实体和壳 - 壳连接 定义连接对时 , 接触面单元应连接在变形实体 上 ,目标 面 单 元 连 接 在 另 一 侧 。设 置 co nta 单 元 keyopt ( 1 ) = 1 或 2 能够考虑温度自由度 。改变其 实常数 Ico nt 和 Cnof 的值并联合使用 p solve 的阶 段求解功能 ,可实现动态模拟接触点 。 利用 targe 单元的 keyop t ( 5 ) 设置连接时线位 移和角位移自由度是否同时约束 , 默认为实体 - 实 体组装时仅约束线位移自由度 , 壳 - 壳组装时线位 移和角位移自由度全部约束 。 2. 2 壳 - 实体连接 壳 - 实体连接解决了从实体到壳单元的过渡 。 “连接对” 的接触单元须建立在壳单元侧 , 目标单元 在实体单元侧 。 可用 targe 单元的 keyop t ( 5 ) 设置线位移和角 位移自由度是否同时约束 , 默认为同时约束线位移 自由度和角位移自由度 。keyopt ( 5 ) = 1 或 2 且接 触单元采用 co nta175 或 co nta170 时 , 须用 shsd 命 令在交接面生成附加的虚拟单元 。当 keyopt ( 5 ) = 3 时 , 程序自动使用力分配约束模式 ; 通过嵌入域 Pinb 、 初调 Ico nt 、 影响距离 Ftoln 确定壳边界上的 主节点以约束实体表面相应的从节点 。如果实体单

　　元节点到壳单元任一边界的垂直距离小于 Ftoln 时 ,那么本节点进入约束组 。Ftoln 为正值时表示 影响距离是壳半厚的比例系数 , 负值时表示绝对距 离 。当壳 - 实体连接用于子结构分析中并用超级单 元模拟壳单元时 , 壳厚是未知的 ; 此时 , 必须设置 Ftoln 为负值表示绝对距离 。 比较 keyopt ( 5) 不同的设置情况 ,keyopt ( 5) = 2 且选 targe170 单元时精度较好 。 Keyopt ( 5 ) = 1 时 在交接面得到局部应力较大 ,keyopt ( 5 ) = 3 时因缺 少虚拟壳单元可能不会传递壳节点的弯距 。 2. 3 基于面的约束 基于面的约束能把接触面上从节点的运动和目 标面上的单个主节点进行约束 。接触单元的 M PC 功能有刚体面约束和力分配面约束两类 。一般用 于: ( 1) 对主节点施加力和边界位移 。例如 , 销栓 端部受到周边的分布扭转力矩 。 ( 2) 模拟刚性端部约束 。例如 ,用刚体面约束模 拟三维实体单元端部刚性截面 。 ( 3) 模拟实体到其他单元的过渡段 。例如 , 梁 和实体单元的衔接 。 接触面通过 esurf 命令创建 , 接触面单元上的 节点为从节点 ,主节点是目标面一侧的单节点 ,可以 施加位移和力 。通过设置 targe169 和 targe170 的 keyopt ( 4) 选项 ,可以自定义参与约束方程 ( 组) 的自 由度 。例如设置 targe170 的 keyopt ( 4) = 100011 即 指定 U x 、 、 Uy Rotz 参与约束 。模拟梁 - 实体连接 时 ,梁的端节点必须作为主节点 ,而壳或实体单元的 相关节点为从节点 。正常的情况下 , 刚体面约束适用 于实心梁连接实体单元 , 力分配面约束适用于柔性 梁 ( 如薄壁梁) 与实体或壳单元的连接 。