SHELL181單元說明

SHELL181單元適合對薄的到具有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。它是一個(gè)4結(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：x,y,z方向的位移自由度和繞X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。(如果應(yīng)用了薄膜選項(xiàng)的話，那該單元則只有移動自由度了)。簡并三角形選項(xiàng)只在該單元做為充填單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)才會用到。

Shell181單元非常適用于分析線性的，大轉(zhuǎn)動變形和非線性的大形變。殼體厚度的變化是為了適應(yīng)非線性分析。在該單元的應(yīng)用范圍內(nèi)，完全積分和降階積分都是適用的。SHELL181單元闡明了以下（荷載剛度）分布壓強(qiáng)的效果。

SHELL181單元可以應(yīng)用在多層結(jié)構(gòu)的材料，如復(fù)合層壓殼體或者夾層結(jié)構(gòu)的建模。在復(fù)合殼體的建模過程中，其精確度取決于第一剪切形變理論（ 通常指明德林-雷斯那殼體理論）

SHELL181 輸入數(shù)據(jù)

其幾何特性，節(jié)點(diǎn)的位置及坐標(biāo)系參見圖181.1 SHELL 181單元的幾何圖。 該單元由四個(gè)節(jié)點(diǎn)定義而成：I，J，K，L。該單元等式是基于對數(shù)應(yīng)變和實(shí)際應(yīng)力的測量的。從運(yùn)動學(xué)來講，該單元支持有限的薄膜應(yīng)變（伸展）。但是，在一定時(shí)間內(nèi)的曲線變化必須是小變化。你可以用實(shí)常數(shù)或者橫截面定義來定義該單元的厚度或者其他的一些參數(shù)。用實(shí)常量來定義其參數(shù)只限于定義單層殼體。如果同時(shí)用實(shí)常數(shù)和一個(gè)有效的殼體橫截面來定義SHELL181單元的話，實(shí)常數(shù)定義將被忽略。

SHELL181單元同樣適用用預(yù)整合的殼體橫截面類型。當(dāng)該單元用GENS類型橫截面來定義時(shí)，厚度或者材料的定義就都不需要了。如果想了解更多的信息，請參見 預(yù)整合通用殼體橫截面的使用。

用實(shí)常數(shù)來定義厚度

殼體單元的厚度可以在其各個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，在該單元內(nèi)，其厚度的變化被認(rèn)為是光滑的。如果該單元各處的厚度一樣，是個(gè)常數(shù)，那么只需輸入I節(jié)點(diǎn)的厚度就可以了。如果該單元的厚度不是一個(gè)常數(shù)，那么所有四個(gè)節(jié)點(diǎn)處的厚度都必須輸入。

多層橫截面定義

同樣，殼體厚度和其他常規(guī)的參數(shù)的設(shè)定也可以在橫截面的定義中來完成。SHELL181單元與殼體橫截面有關(guān)連（參見橫截面類型命令描述）。殼體橫截面定義相對實(shí)常數(shù)定義來講更為普遍。殼體橫截面操作可以定義多層的復(fù)合殼體，并可以通過各層的厚度提供的輸入選項(xiàng)來指定其厚度，材料，傾向性和積分點(diǎn)的個(gè)數(shù)。需要注意的是，單層殼體也可以用殼體橫截面定義來設(shè)定，但是卻提供了較多的有伸縮性的選項(xiàng)，如利用ANSYS的功能創(chuàng)建器來定義厚度作為世界坐標(biāo)系的一項(xiàng)功能和所用到的積分點(diǎn)的個(gè)數(shù)等。

在橫截面定義過程中，你可以在定義各層的厚度時(shí)指定積分點(diǎn)（1，3，5，7或者9）的位置。如果只有1個(gè)點(diǎn)，那么該點(diǎn)一般都在頂層和底層的中間；如果是3個(gè)或者更多，則有兩個(gè)點(diǎn)分別位于頂層和底層的面上，剩下的點(diǎn)則均勻分布在這兩點(diǎn)之間。當(dāng)指定為5個(gè)點(diǎn)時(shí)，特殊情況就出現(xiàn)了，為了和用實(shí)常數(shù)輸入選定的位置達(dá)成一致，四分之一點(diǎn)位置向距離他們最近層的表面移動了5個(gè)百分點(diǎn)。對每層來說，默認(rèn)的輸入點(diǎn)個(gè)數(shù)是3個(gè)。注意，當(dāng)應(yīng)用實(shí)常數(shù)定義時(shí)，ANSYS就用5個(gè)積分點(diǎn)。但是，當(dāng)一個(gè)等厚度的單層結(jié)構(gòu)用橫截面定義十，默認(rèn)的是3個(gè)積分點(diǎn)。為了得到相似的解，可以用SECDATA命令設(shè)定橫截面點(diǎn)為5個(gè)。

對于無畸變的單元，默認(rèn)的方向性和坐標(biāo)系系統(tǒng)中的描述是一樣的（第一個(gè)面的方向和IJ邊在同一條直線上）。對于空間翹曲的或者有畸變的單元，默認(rèn)的方向性可以更好的表明應(yīng)力狀態(tài)，這是由于在該單元的范圍內(nèi)，它只用一個(gè)積分點(diǎn)（默認(rèn)）。

對與該單元來說，其第一表面S1的方向可以在THETA設(shè)定中被旋轉(zhuǎn)一個(gè)指定的角度，同樣，用SECDATE命令也可以達(dá)到同樣的效果。對于一個(gè)單元來說，你可以在單元平面中指定一個(gè)單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)角度值。如果用橫截面定義的話，就可以用層的智能方向性了。

你也可以用ESYS來定義單元的方向性。

該單元支持簡化為三角形形式。然而，除非被用做分網(wǎng)填充單元或有薄膜選項(xiàng)，建議不要用其三角形形式。其三角形式通常在薄膜選項(xiàng)中具有大撓度時(shí)才更為可靠。

SHELL181單元用補(bǔ)償法標(biāo)準(zhǔn)來描述板內(nèi)位移組件的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)自由度，ANSYS程序默認(rèn)選擇一個(gè)合適的剛度補(bǔ)償。但是，如果需要的話，您可以用第十個(gè)實(shí)常數(shù)來改變默認(rèn)值。該實(shí)常數(shù)的值是系統(tǒng)默認(rèn)補(bǔ)償剛度的比例因子。用較高的值的話，有利于模型中的大的非物理能量內(nèi)容。因此，在改變默認(rèn)值的時(shí)候請務(wù)必小心。當(dāng)用橫截面定義SHELL181單元時(shí)，鉆剛度因素可以通過SECCONTROLS命令來指定。

在Node and Element Loads中，描述了單元的荷載。如圖181.1："SHELL181 Geometry"中圈中的數(shù)字所示，壓力可以按單元表面的面載荷來輸入。邊壓按每單位長度來輸入。

TUNIF.在各層（1-1024最大）間外部面的角和內(nèi)面的角處，溫度可以當(dāng)作單元體載荷萊輸入。第一個(gè)角溫度默認(rèn)為TUNIF。如果所有的其他的溫度都沒有指定，則均默認(rèn)為T1。如果KEYOPT(1)＝0，且NL＋1溫度正確輸入了，則第一個(gè)溫度設(shè)定為各層底部四角溫度，最后一個(gè)溫度設(shè)定為頂部四個(gè)角的溫度。如果KEYOPT(1)＝1，且NL溫度正確輸入了，則第一個(gè)溫度設(shè)定為各層四個(gè)角的溫度。也就是說，T1就是T1, T2, T3, 和 T4;T2就是T5, T6, T7, 和 T8，等。對于其他的輸入面板，未指定的溫度都默認(rèn)為TUNIF。

用KEYOPT(3),SHELL 181單元支持相同在不相容的模態(tài)下的縮減積分和全面積分。 默認(rèn)情況下，該單元在非線性應(yīng)用中為實(shí)行原因運(yùn)用了相同的縮減積分。

用沙漏控制下的縮減積分創(chuàng)建些應(yīng)用的約束，盡管很小。例如，為了得到內(nèi)板懸臂梁或者加強(qiáng)筋的彎曲數(shù)據(jù)（如圖181.2 SHELL181典型彎曲應(yīng)用），就需要在厚度方向設(shè)定一定數(shù)量的單元。該實(shí)行通過類似的縮減積分得到的成果足以抵消你對多單元的需求。在相對細(xì)化的網(wǎng)格劃分中，沙漏問題是不切題的。

如果用了縮減積分選項(xiàng)，你可以通過對比總能量和用沙漏控制得到的人工能量來檢測結(jié)果的精確性。如果人工能和中能量的比率小于5％，一般來說結(jié)果就是可以接受的。總能量和人工能量同樣可以在求解階段用OUTPR,VENG監(jiān)控。

當(dāng)用完全積分時(shí)，雙線形單元在內(nèi)板彎曲中就會很硬。SHELL181用非協(xié)調(diào)模式法來提高撓度支配問題的精確性。該方法也稱作附加形態(tài)或者泡沫模態(tài)法。SHELL181用該等式確保滿足小塊檢驗(yàn)。

當(dāng)分析中包含非協(xié)調(diào)模態(tài)時(shí)，您必須用完全積分法。KEYOPT(3) = 2暗示包含了非協(xié)調(diào)模態(tài)和完全積分。

對SHELL181單元，當(dāng)指定KEYOPT(3) = 2時(shí)，它不含有任何模擬能量機(jī)制。這種SHELL181特殊的形式非常精確，甚至具有網(wǎng)眼。如果您遇到默認(rèn)選項(xiàng)的與沙漏相關(guān)的問題，我們建議您用KEYOPT(3) = 2。如果網(wǎng)格劃分有網(wǎng)眼而且單元的內(nèi)板彎曲控制響應(yīng)，KEYOPT(3) = 2也是必須的。我們建議各種層的應(yīng)用問題都選用該選項(xiàng)。

KEYOPT(3) = 2利用了最少使用限制。您可以一直選用該選項(xiàng)。您也可以通過選擇最合適您問題的選項(xiàng)來改善單元的性能。該問題在圖181。2“SHELL181 典型彎曲的應(yīng)用”有描述。

圖181。2“SHELL181 典型彎曲的應(yīng)用”

懸臂梁和梁的橫截面可以用殼體建模，這是板內(nèi)彎曲占主導(dǎo)因素問題的典型例子。在這些情況下，選用KEYOPT(3) = 2是最有效的選擇?？s減積分可能需要進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化。例如，懸臂梁的縮減積分求解需要厚度方向的四個(gè)單元，反之，有非協(xié)調(diào)模態(tài)的完全積分則只需要厚度方向的一個(gè)單元。

對于加強(qiáng)的殼體，最有效的選擇就是：對殼體，用KEYOPT(3) = 0；對加強(qiáng)部分，用KEYOPT(3) = 2

當(dāng)指定KEYOPT(3) = 0時(shí)，對薄膜和彎曲模態(tài)，SHELL181單元會選用沙漏控制法。默認(rèn)情況下，SHELL181單元會為金屬和超彈性應(yīng)用問題計(jì)算沙漏參數(shù)。您可以用實(shí)常數(shù)11和12而不管默認(rèn)值。您可以增加分網(wǎng)密度或者選用完全積分選項(xiàng)（KEYOPT(3)=2）而不用改變沙漏剛度參數(shù)。當(dāng)用到橫截面定義時(shí)，你可能會需要通過SECCONTROLS命令指定沙漏剛度比例因子。

SHELL181單元包含了橫向剪切變形效果。巴氏－德沃克林的一個(gè)假設(shè)的剪切應(yīng)變等式可以用來緩和剪切鎖定。該單元的橫向剪切剛度是一個(gè)如下所示的2*2矩陣：

在上述矩陣中，R7,R8,和R9是實(shí)常數(shù)7，8，和9。您可以忽略默認(rèn)得橫向剪切剛度值，而通過把不同的值賦給那些實(shí)常量。該選項(xiàng)對分析夾層結(jié)構(gòu)的殼體實(shí)行有效的。另一方面，SECCONTROLS命令提供了對橫向剪切剛度值的定義。

對于各向同性的單層殼體結(jié)構(gòu)，默認(rèn)得橫向剪切剛度是：

在上述矩陣中，k = 5/6, G =剪切模量,  h =殼體厚度.

SHELL181單元可以用于分析線彈性，彈性塑料，蠕變或者超彈性材料的特性。對于彈性體，只有各向同性，各向異性和正交各向異性的線彈性特性可以輸入。復(fù)雜綜合應(yīng)力等向硬化塑料模型可以被BISO（雙線性等向硬化），MISO(多線性)， NLISO (非線性各向同性硬化)選項(xiàng)調(diào)用。運(yùn)動學(xué)硬化塑料模型可以被BKIN (雙線性運(yùn)動硬化), MKIN and KINH (多線形運(yùn)動硬化), and CHABOCHE (非線形運(yùn)動硬化)所調(diào)用.調(diào)用塑料證明彈性特征是各向同性的。

該單元也可以用超彈性材料的特征。泊松比用來指定材料的可壓縮性。如果小于0，泊松比就會被設(shè)定為0；如果大于和等于0.5，泊松比則被設(shè)定為0.5。

各向同性和各向異性熱膨脹系數(shù)可以用MP,ALPX來輸入。當(dāng)用到超彈性時(shí)，各向同性膨脹就被選用。

用BETAD命令來提供全局阻尼值。如果MP,DAMP被指定為單元材料號，則它為單元所用而不是BETAD命令的值。同樣，用TREF命令來指定全局相關(guān)溫度。如果 MP,REFT 用來指定材料定義材料單元編號，則它為單元所用而不是TREF命令的值。但如果是MP,REFT來定義層的材料號，則它是用來代替全局或者單元值的。

在縮減積分和沙漏控制下 (KEYOPT(3) = 0), 如果質(zhì)量矩陣不符合求積規(guī)則，則低頻副振蕩模將會出現(xiàn). SHELL181單元用影射法有效的篩選出了單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)到沙露面模式，為了有效性，必須使用一個(gè)連續(xù)的質(zhì)量矩陣。若用該單元左模態(tài)分析，我們建議您設(shè)定LUMPM,OFF.集中質(zhì)量選項(xiàng)可以被用在完全積分選項(xiàng)中（KEYOPT(3) = 2）.

對于單層或多層殼體單元來說，KEYOPT(8) = 2用來存儲中間面結(jié)果。如果您用了SHELL,MID,您將看到的是這些計(jì)算值，而不是頂部和底部結(jié)果的平均值。當(dāng)頂部和底部的平均值不合適的時(shí)候，你應(yīng)該用這個(gè)選項(xiàng)來得到正確的中見面的結(jié)果（薄膜結(jié)果）;例子中包含黑線性材料特性的中間面應(yīng)力、應(yīng)變 ，以及在包含諸如譜分析等測長操作的模態(tài)疊加之后的中間面結(jié)果。

KEYOPT(9) = 1 用來從用戶子程序中讀取初始厚度數(shù)據(jù)。

你可以用ISTRESS 或 ISFILE命令將初始應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)用到該單元。如果需要了解更多信息，請參見ANSYS Basic Analysis Guide中的Initial Stress Loading . 另一方面，你可以通過設(shè)置KEYOPT(10) = 1來從用戶子程序USTRESS中讀取初始應(yīng)力。對于用戶子程序的細(xì)節(jié)問題，請參見 the Guide to ANSYS User Programmable Features.

該單元自動包含壓力載荷剛度的效果。如果壓力載荷剛度效果需要非對稱矩陣，請用NROPT,UNSYM.

該單元的數(shù)據(jù)輸入總結(jié)請見.  Element Input也給出了該單元輸入數(shù)據(jù)的概述。.