实体壳梁单元连接优化方案

1．实体－实体连接

实体与实体的连接比较简单，主要有两种方法：节点耦合和MPC算法。

（1）节点耦合

节点耦合是指共享不同单元的重合节点。这种连接方式最简单，并且最有效。建立有限元模型时，应使用同一种实体划分网格，但可以分别定义各实体的材料属性。

（2）MPC算法

用于连接非协调网格，如六面体与四面体单元的交界面。ANSYS使用目标单元“TARGE170”和接触单元“CONTA173”或“CONTA174”定义MPC算法。

2．实体-壳连接

实体单元节点具有3个平动自由度，壳单元节点具有3个平动自由度和3个转动自由度。为了确保自由度协调，可以根据实体与壳连接的具体情况选用不同的连接方法：节点耦合或MPC算法。

（1）节点耦合

尽管实体单元节点缺少转动自由度，但实体与曲面壳有共同节点的结构中，只需耦合实体与壳的连接节点，就可以保证自由度协调。

（2）MPC算法

壳为平面，由于其节点具有转动自由度，即使采用了节点耦合，也可以绕连接转动。在这种情况下，可以采用MPC算法连接协调网格。ANSYS使用目标单元“TARGE170”覆盖于实体单元表面和接触单元“CONTA175”位于壳单元边界来定义MPC算法。

3．实体-梁连接

实体单元节点具有3个平动自由度，梁单元节点具有3个平动自由度和3个转动自由度，为了确保自由度的协调，可以根据实体与梁连接的具体情况，选用不同的连接方法：刚/柔性连接和“Surface-Based Constraints”。

（1）刚/柔性连接

刚/柔性连接是最简单的方法，可以用“MPC184”刚性梁单元连接梁的端点和实体节点形成十字连接；也可以采用刚性连接“CERIG”或柔性连接“RBE3”进行连接，它们均基于小变形理论分析，而“MPC184”刚性梁单元可用于大变形分析。(www.xing528.com)

（2）Surface-Based Constraints

Surface-Based Constraints是一种特殊的MPC算法，这种方法需定义一个目标单元“PILOT”位于梁的端点和一组接触单元“CONTA173”/“CONTA174”覆盖于实体单元表面，并设置相应的单元选项和实常数。

4．壳-壳连接

壳与壳的连接比较简单，主要有两种方法：节点耦合和MPC算法。

（1）节点耦合

对于壳结构，节点耦合连接方式最简单，并且最有效。建立有限元模型时，应使用同一种壳体单元划分网格，但可分别定义各壳的横截面和材料属性。

（2）MPC算法

对于搭接的壳，可使用MPC算法进行连接。ANSYS使用目标单元“TARGE170”和接触单元“CONTA173”或“CONTA174”来定义MPC算法。

5．壳-梁连接

壳与梁的连接有两种：刚/柔性连接和“Surface-Based Constraints”。

（1）刚/柔性连接

尽管三维壳单元和梁单元的节点都有6个自由度，但梁壳单元的自由度ROTZ是与平面内旋转刚度相联系的，这是一个虚构的自由度，即它不是数学计算的真实刚度。因此，壳单元的自由度ROTZ不是真实自由度。若三维梁单元仅有一个节点与三维壳单元相连，将导致梁单元的旋转自由度与壳单元的ROTZ自由度不协调。在这种情况下，可以用“MPC184”刚性梁单元将梁的端点和壳单元节点形成十字；也可以采用刚性连接“CERIG”或柔性连接“RBE3”进行连接，它们均基于小变形理论分析，而“MPC184”刚性梁单元可用于大变形分析。

（2）Surface-Based Constraints

Surface-Based Constraints是一种特殊的MPC算法，这种方法需定义一个目标单元“PILOT”位于梁的端点和一组接触单元“CONTA175”位于壳单元节点，并设置相应的单元选项和实常数。