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ANSYS的两种有限元单元应用研究

ANSYS有限元分析软件是世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发的产品，主要用于结构、流体、电场、磁场和声场等物理场独立或祸合分析，功能强大、应用广泛，是一个便于学习和使用的优秀有限元分析程序。软件提供的分析类型如:结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等，为广大工程设计人员提供一个很好的计算设计分析平台。在ANSYS得到广泛应用的同时，许多技术人员对ANSYS程序的了解和认识还不够系统、全面，在工作和研究中存在许多隐患和障碍，尤为突出的是有限元格划分时，对于不同实体单元的选择没有一个明确的标准，因此进行分析的时候往往会得出不太准确的结果。本文结合分析实例，对于实体格划分时SOLID45单元和SOLID95单元的区别作一研究。

1 实体单元的选择和格划分有限元的求解

有限元法的基本思想是把复杂的形体便可从1条生产线起步拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进c）按试样所受有载与工夫的关系重要有：静太机和颓废机行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化，即称格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。因此，实体单元的选择和格的划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度以及计算的成败。

1.1 SOLID45单元简介

SOLID45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x,y,z;方向平移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。类似的单元有适用于各向异性材料的SOLID64单元。SOLID45单元的更高阶单元是SOLID95，单元由8个节点和各向同性的材料参数来定义。各向同性材料方向对应于单元坐标系方向，单元载荷包括节点载荷和单元载荷。

1.2 SOLID95单元简介

SOLID95是SOLID45(3维8节点)高阶单元形式，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型;同时，其偏移形状的兼容性好，SOLID95有20个节点定义，每个节点有3个自由度，(X,Y,Z方向)，此单元在空间的方位任意，本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，并且提供不同的输出项。

2 实例分析

2.1仿真分析模型及结果

虚拟三维CAD模型如图3所示，在ANSYS老玩具中对该虚拟三维模型划分格，分别分两种单元划分格:

图3 试验模型

(1)第一种为8节点SOLIU45单元，

(2)第二种为20节点SOLID95单元，

在ANSYS中分别对这两种模型进行模态计算(其情侣玩具中模型下底面固定)，求得的各阶模态分别如表1所示。

其中图4所示为用SOLID45单元划分格模型的第一阶模态，图5所示为用SOLTD95单元划分格模型的第一阶模态，并且由表1中得出，SOLID45单元模型的第一阶频率为60. 227Hz，而SOLID95单元模型的第一阶频率为44. 127 Hz，两阶频率相差16.1 Hz，有明显出入。

2.2实验模型及结果

实验是将试件底端固定，在顶端安装一个加速度计，在试件上敲击用加速度计测量顶端的响应，然后做频谱分析得出试件的频率。实验系统如图6所示。

实验测得的加在使用之前速度信号，将测得的信号做频谱分析后的频谱图为图8所示。由图8可知，实验测得频率为:39.79 Hz。

2.3结果分析

仿真计算出的SOLID45单元模型第一阶模态为66.227 Hz,SOLID95单元模型的第一阶模态为44.127 Hz。实验结果得出模型的频率为39.79 Hz。

由上述结果可以看出，SOLID95单元的计算结果与实际测试得到的数据比较接近。而SOLID45单元的计算结果与实际测量得到的数据相差十分大。但由于SOLID45单元是8节点而SOLID95是20节点。因此在计算相同阶模态时，SOLI最好的办法是在实际使用条件下对实物进行评价D95单元模型会耗费更多的时间和计算机资源。

因此在汁算有曲面的模型单元格划分时，要想使计算结果精确、可靠，就应该选取SOLID95单元来划分模型格。如果只是大概估计模型的一些基本参数和范围，几对结果要求不高时，则可以皮具礼品考虑使用SOLID45单元划分模型格。

3 结论

由仿真分析和实验的对比可以看出，SOLID45单元在计算曲面和2种材料以下的模型的模态时，计算精度很低，甚至会出现错误结果。而SOLID95单元在计算以上模型的模态时，与实验结果比较接近。因此在模型划分格的时候，应该多考虑选取与所划分格模型相对应的单元。

ANSYS格划分功能十分强大，它不但具有智能格划分、人工控制格划分、映射、扫掠、拖拉格划分等功能，还聚酯薄膜具有强大的格检查及修改功能。有效、合理地进行实体单元的选择、划分格是获得高精度结果的保证。因此，在熟练应用该软件功能的同时，结合工程实际，不断总结掌握格划分时的单元选择方法、技巧是十分有益的。(end)