第一十零章 装配体有限元分析

10.2.3  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。为确保自由度协调，可根据实体与梁连接的具体情况，选用不同的连接方法，本书提供了两种方法：刚/柔性连接和MPC算法。

1．刚/柔性连接

    刚/柔性连接是最简单的方法。例如，可用MPC184刚性梁单元连接梁的端点和实体节点，形成十字连接，如图10-4所示。当然，也可采用CERIG或RBE3进行连接，但它们均基于小变形理论，而MPC184刚性梁可用于大变形分析。

2．MPC算法

    相对于刚/柔性连接，MPC算法较复杂，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，如图10-5所示。ANSYS称这种MPC算法为Surface-Based Constraints，第20章例20-1给出了定义此类MPC算法的过程。

图10-4  MPC184刚性梁单元连接梁和实体

图10-5  MPC算法连接实体与梁单元

    （1）单元选项

    对于目标单元TARGE170，推荐采用如下设置：

    K2=1 (Specified by user)

    K4=111111，表示选中ROTZ、ROTY、ROTX、UZ、UY、UX自由度。

    对于接触单元CONTA173/CONTA174，推荐采用如下设置：

    K2=2 (Multipoint constraint (MPC))

    K4=1 (force-distributed constraint)或K4=2 (rigid surface constraint)

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K11=1 (Include)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。

10.2.4  板壳-板壳连接

    板壳与板壳的连接较简单，主要有两种方法：节点耦合和MPC算法。

1．节点耦合

    对于如图10-6所示的板壳结构，节点耦合连接方式最简单，且最有效。建立有限元模型时，应使用同一种板壳单元（如SHELL181等）划分网格，但可分别定义各板壳的实常数和材料属性。

图10-6  节点耦合连接板壳单元

2．MPC算法

    对于如图10-7所示的板壳结构，可使用MPC算法进行连接。与实体-实体连接类似，ANSYS使用目标单元TARGE170和接触单元CONTA173或CONTA174定义MPC算法。

图10-7  MPC算法连接搭接的板壳（显示出厚度）

    （1）单元选项

    仅需设置接触单元CONTA173/ CONTA174的单元选项，推荐采用如下设置：

    K2=2 (Multipoint constraint (MPC))

    K4=2 (On nodal point-normal to target surface)

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K11=1 (Include)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。

10.2.5  板壳-梁连接

    与实体-梁连接类似，板壳-梁连接也有两种方法：刚/柔性连接和MPC算法。

1．刚/柔性连接

    尽管每个三维板壳单元和梁单元都有6个自由度，但是，板壳单元的ROTZ（见图7-1，单元坐标系）自由度是与平面内的旋转刚度相联系的，这是一个虚构的刚度，即它不是数学计算的真实刚度。因此，板壳单元的ROTZ自由度不是真实的自由度。若三维梁单元仅有一个节点与三维板壳单元相连，将导致梁单元的旋转自由度（节点坐标系）与板壳单元的ROTZ自由度（单元坐标系）不协调。在这种情况下，可采用MPC184刚性单元将梁的端点和板壳节点连成十字，如图10-8所示。当然，也可采用CERIG或RBE3进行连接，但它们均基于小变形理论。

2．MPC算法

    相对于刚/柔性连接，MPC算法较复杂，需定义一个目标单元PILOT （位于梁的端点）和一组接触单元CONTA175（位于板壳单元节点），并设置相应的单元选项和实常数，如图10-9所示。ANSYS称这种MPC算法为Surface-Based Constraints。第20章例20-1给出了定义此类MPC算法的过程。需要注意的是，接触定义应选择Point to surface。

图10-8  MPC184刚性梁单元连接板壳与梁单元

图10-9  MPC算法连接板壳与梁单元

    注意：

    ① 对于MPC算法，CONTA175支持高阶下伏单元。

    ② 目标单元和接触单元都是点单元，无需定义单元法向。

    （1）单元选项

    对于目标单元TARGE170，推荐采用如下设置：

    K2=1 (Specified by user)

    K4=111111，表示选中ROTZ、ROTY、ROTX、UZ、UY、UX自由度。

    对于接触单元CONTA175，推荐采用如下设置：

    K2=2 (Multipoint constraint (MPC))

    K4=0 (rigid surface constraint)或K4=1 (force-distributed constraint)

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K11=1 (Include)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。