ANSYS结构分析单元功能与特性

杆单元:LINK1、8、10、11、180

梁单元：BEAM3、4、23、24，44，54，188，189 管单元:PIPE16，17，18，20，59，60

2D实体元:PLANE2，25，42，82，83，145，146，182，183

3D实体元:SOLID45，46，64，65，72，73，92，95，147，148，185，186，187，191 壳单元:SHELL28，41，43，51，61，63，91，93，99，143，150，181，208，209 弹簧单元:COMBIN7，14，37，39，40 质量单元:MASS21

接触单元:CONTAC12，52，TARGE169，170，CONTA171，172，173，174，175，178 矩阵单元:MATRIX27，50 表面效应元:SURF153，154

粘弹实体元:VISCO88，89，106，107，108， 超弹实体元:HYPER56，58，74，84，86，158

耦合场单元:SOLID5，PLANE13，FLUID29，30，38，SOLID62，FLUID79，FLUID80，81， SOLID98，FLUID129，INFIN110，111，FLUID116，130 界面单元:INTER192，193，194，195 显式动力

分析单元:LINK160，BEAM161，PLANE162，SHELL163，SOLID164，COMBI16

杆单元

单元名称 LINK1 LINK8 LINK10 LINK11 LINK180 简称 2D杆 3D杆 3D仅受拉 或仅受压杆 3D线性调节 器 3D有限应变杆 节点数 2 节点自由度 Ux,Uy Ux,Uy,Uz 特性 EPCSDGB EPCSDGB EDGB EGB EPCDFGB 备注 常用杆元 模拟缆索的松弛及 间隙 模拟液压缸和大转 动 另可考虑粘弹塑性 E-弹性(Elasticity)，P-塑性(Plasticity)，C-蠕变(Creep)，S-膨胀(Swelling)，D-大变形或大挠度(Large deflection)，F-大应变(Large strain)或有限应变(Finite strain)，B-单元生死(Birth and dead),G-应力刚化(Stress stiffness)或几何刚度(Geometric stiffening)，A-自适应下降(Adaptive descent)等。

通常用LINK1和LINK8模拟桁架结构，如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以及吊桥的吊杆、拱桥的系杆等构件，必须注意线性静力分析时，结构不能是几何可变的，否则造成位移超限的提示错误。LINK10可模拟绳索、地基弹簧、支座等，如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。LINK180除不具备双线性特性(LINK10)外，它均可应用于上述结构中，并且其可应用的非线性性质更加广泛，增加了粘弹塑性材料。⑸LINK1、LINK8和LINK180单元还可用于普通钢筋和预应力钢筋的模拟，其初应变可作为施加预应力的方式

梁单元

梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转(3D)单元。 单元 名称 BEAM3 简称 2D弹性梁 节点 2 2 2 2 2+1 2+1 节点 自由度 Ux,Uy, Rotz 特性 备注 EDGB 常用平面梁元 BEAM23 2D塑性梁 BEAM54 2D渐变不对称梁 BEAM4 3D弹性梁 EPCSDFGB 具有塑性等功能 EDGB 不对称截面，可偏移中心轴 拉压弯扭，常用3D梁元 拉压弯及圣文南扭转；开口或闭口截面 拉压弯扭，不对称截面，可偏移中心轴，可释放节点自由度，可采用梁截面 粘弹塑Timoshenko梁，计入剪切变形影响；可增加翘曲自 由度；可采梁截面 BEAM188，但属二次梁单元。 Ux,Uy,Uz EDGB Rotx,Roty,Rotz EPCS DGB EDGB BEAM24 3D薄壁梁 BEAM44 3D渐变不对称梁 BEAM188 3D线性有限应 变梁 2+1 Ux,Uy,Uz Rotx,Rot y,Rotz BEAM189 3D二次有限应变梁 3+1 或增加warp EPCD FGB

单元使用另外应注意的问题： ⑴梁单元面积和长度不能为零，且2D梁元必须位于XY平面内；⑵剪切变形的影响；⑶自由度释放；⑷梁截面特性；⑸BEAM23/24实常数的输入比较复杂；⑹荷载特性；⑺应力计算。

管单元

管单元是一类轴向拉压、弯曲和扭转的3D单元，单元的每个节点均具有6个自由度，即三个平动自由度Ux、Uy、Uz和三个转动自由度Rotx、Roty、Rotz，此类单元以3D梁元为基础，包含了对称性和标准管几何尺寸的简化特性。

单元使用应注意的其他问题：

⑴管元长度、直径及壁厚均不能为零；⑵可计算薄壁管和厚壁管，但某些应力的计算是基 于薄壁管理论的；⑶管单元计入了剪切变形的影响，并可考虑应力增强系数和挠曲系数。

该类单元有直管、T型管、弯管和沉管四种单元类型 单元 名称 PIPE16 PIPE17 PIPE18 PIPE20 PIPE59 PIPE60 简称 3D弹性直管元 3D弹性T型管元 3D弹性弯管元 3D塑性直管元 3D弹性沉管元 3D塑性弯管元 节点数 特性 2 2~4 2+1 2 2 2+1 EDGB EDGB EDB EPCSDGB EDGB EPCSDB 同PIPE16 可模拟海洋波，可考虑水动力和浮力等，其余同PIPE16，且可模拟电缆 同PIPE18 备注 可考虑两种温度梯度及内部和外部压力 可考虑绝热、内部流体、腐蚀及应力强化

2D实体单元

2D实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、平面应变和轴对称问题的分析，此类单元均位于XY平面内，且轴对称分析时Y轴为对称轴。 单元名称 PLANE2 PLANE42 PLANE82 PLANE145 PLANE146 PLANE182 PLANE183 PLANE25 PLANE83 简称 6节点三角形单元 4节点四边形单元 8节点四边形单元 8节点四边形P单元 6节点三角形P单元 4节点四边形单元 8节点四边形单元 4节点谐结构单元 8节点谐结构单元 Ux,Uy Uz E EPCSD FGBA EGB 节点 自由度 Ux,Uy 特性 备注 EPCSDFGBA 适用于不规则的网格 具有协调和非协调元选项 是PLANE42的高阶单元；混合分网的 结果精度高；；适用于模拟曲线边界 支持2～8阶多项式 支持2～8阶多项式 具有更多的非线性材料模型 是PLANE182的高阶单元 模拟非对称荷载的轴对称结构 是PLANE25的高阶单元 单元使用应注意的其他问题：

⑴ 单元插值函数及说明；⑵荷载特性；⑶其它特点。

3D实体单元

3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每个节点均具有三个自由度，即Ux、Uy、Uz三个平动自由度。 单元名称 简称/3D SOLID45 实体元 SOLID46 分层实体元 SOLID64 各向异性实体元 SOLID65 SOLID92 SOLID95 钢筋混凝土实体元 四面体实体元 实体单元 结 特性 点 8 8 8 8 EDG EDGBA EPCDFGBA 完全/减 缩积分 Y/N Y/N Y/N 初应力 Y N N N Y Y N N Y Y Y N 备注 正交各向异性材料 层数达250或更多 各向异性材料 开裂,压碎,应力释放 正交各向异性材料 是SOLID45的高阶元 P可设置2～8阶 P可设置2～8阶 可模拟几乎不可压缩 的弹塑和完全不可压 缩的超弹 层数≤100 EPCSDFGBA Y/Y 10 EPCSDFGBA Y/N 20 EPCSDFGBA Y/Y 20 E 8 EPCDFGBA Y/N Y/N Y/Y等 Y/Y Y/N Y/N SOLID147 砖形实体P元 SOLID185 实体单元 SOLID186 实体单元 SOLID187 四面体实体元 SOLID191 分层实体元 SOLID148 四面体实体P元 10 E 20 EPCDFGBA 10 EPCDFGBA 20 EGA

单元使用应注意的问题：

⑴关于SOLID72/73单元；（2）SOLID185积分方式可选择。

壳单元

壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳元比梁元和实体元要复杂的多，因此壳类单元中各种单元的选项很多。

杆、梁单元→板壳单元→实体单元

单元使用应注意的问题：

⑴通常不计剪切变形的壳元用于薄板壳结构，而计入剪切变形的壳元用于中厚度板壳结构。

弹簧单元

弹簧单元是一类专门模拟“弹簧”行为的单元，不同于用结构单元（如LINK等）的模拟。

质量单元

MASS21为具有6个自由度的点单元， 即只有一个节点，节点自自由度可为Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，通过不同设置可仅考虑2D或3D内的平动自由度及其组合，它每个坐标方向可以具有不同的质量和转动惯量。该单元无面荷载和体荷载，支持弹性、大变形和生死单元。

接触单元

ANSYS支持三种接触方式，即点对点、点对面和面对面的接触，接触单元是覆盖在模型单元的接触面之上的一层单元。点点单元用于模拟点对点的接触行为，且预先知道接触位置；点面单元用于模拟点对面的接触行为，预先不要确定接触位置，接触面之间的网格不要求一致；面面单元用于模拟面对面的接触行为，支持低阶和高阶单元，支持大变形行为等。

矩阵单元

MATRIX27为刚度、阻尼、质量矩阵单元，可表示一种任意的单元。本单元具有两个节点，此两个节点可重合或不重合，每个节点有6个自由度，即Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz。该单元无面荷载和体荷载，但支持单元生死功能。其矩阵可为对称或不对称形式，通过Keyopt(3)设置为刚度矩阵、或阻尼矩阵、或质量矩阵。本单元可模拟任意类型的单元，如可模拟特殊弹簧和节点柔性连接等。

MATRIX50为超单元，它是预先装配好的可独立使用的一组单元。该单元无节点和实常数，其自由度数目由所包含的单元决定，其面荷载和体荷载可通过总的载荷向量和比例系数施加，该单元支持大变形功能。该单元不能包含基于拉格朗日乘子的单元（如MPC184等），不支持非线性（忽略所包含的单元非线性）。超单元可包含其它超单元，2D超单元只能用于二维分析，而3D超单元则只能用于三维分析。

表面效应单元

SURF153和SURF154分别为2D和3D结构表面效应单元，可用于各种荷载（法向、切向、法向渐变、输入矢量方向等）及表面效应（基础刚度、表面张力及附加质量等）情况，可覆盖于任何二维（轴对称谐结构单元PLANE25/83除外）和三维结构实体单元表面。

预紧、多点约束、网分单元

（1）PRETS179为2D/3D预紧单元，用于定义网分后的二维或三维结构预紧区，可由任意结构单元（杆、梁、管、壳、2D实体和3D实体）建立。该单元具有3个节点，每个节点具有一个自由度Ux，该Ux为预紧方向的位移，ANSYS通过几何条件将预紧力施加到指定的预紧荷载方向上，而不必考虑模型是如何定义的。该单元不支持面荷载和体荷载，仅支持非线性特性；不能使用约束方程和自由度耦合，NROTAT命令不能用于节点K，且K节点必须位于整体直角坐标系。

（2）MPC184为多点约束单元，有刚性杆、刚性梁、滑移、球形、销钉、万向接头的约束，适用于使用拉格朗日乘子的具有运动约束时情况，该单元可用于机构运动学，如起重机、挖掘机、汽车、机床和机器人等。该单元有2个或3个节点，每个节点具有Ux、Uy(2D)或Ux、Uy、Uz(3D) 或Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz(3D)自由度。无实常数和面荷载，支持温度荷载及转动或转动力矩，支持大变形和单元生死。

⑶MESH200是仅用来划分网格的单元，对计算结果毫无影响。它是为实现多步网格划分的操作而设计的。该单元可用于划分两维或三维空间的线，三维空间中的三角形、四边形、四面体或六面体单元组成的面或体，且均包括有或没有中间节点的情况。MESH200单元可与任意其它单元一起使用，当不再需要它时，可以将其删除或保留