ANSYS各类型单元连接专题讲解-梁与壳体铰接（三）

本文摘要（由AI生成）：

本文讨论了梁单元与壳、体单元的铰接问题。梁单元节点除了平动自由度外，还有转动自由度。2D梁单元有Ux、Uy和Rotz三个自由度，而3D梁单元则有更多。板壳单元通常有五个自由度，但有时引入第六个Rotz自由度，但其含义与梁单元的Rotz不同。实体单元节点自由度较少，2D实体单元只有Ux、Uy，而3D实体单元包含Ux、Uy、Uz。梁单元与体单元的平动自由度相同，因此它们可以通过共用节点实现铰接。若要实现梁单元与壳单元的铰接，则需使用节点耦合方法，即在相同位置创建两种单元的节点并耦合其平动自由度。

前面一篇文章主要讲解了杆单元与各类单元连接的基本情况《杆与梁壳体单元的连接》，在很多时候，我们使用梁单元的频率要远远大于杆单元，因而如何处理好梁单元与各类单元的连接是做好仿真模拟的关键。

梁单元与杆单元不同之处在于节点除了有平动自由度之外，还附加有转动自由度。针对2D梁单元，节点具有Ux、Uy以及Rotz三个自由度；针对3D梁单元，节点具有Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty、Rotz以及WaRp(仅Beam18x系列单元)。

板壳单元实际上具有五个自由度，分别为Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty，但很多时候引入了第六个面内转动Rotz，但值得注意的是该自由度的含义与梁单元的Rotz含义并不相同。

2D实体单元节点自由度仅有Ux、Uy，3D实体单元节点自由度包含Ux、Uy、Uz。

从上面可见，不同单元类型其节点自由度的数目以及含义不一样，因而在处理单元连接时，需根据实际情况分不同种类来确定其连接方法。但就梁单元而言，与各单元类型的连接可分为如下情况：

1）梁单元与壳、实体单元铰接；

2）2D梁单元与2D实体单元刚接；

3）3D梁单元与壳单元刚接；

4）3D梁单元与3D实体单元刚接；

本篇介绍梁单元与壳、体单元的铰接问题。

从上面介绍的三种单元节点自由度类型可见，梁单元与体单元节点的平动自由度物理意义相同，因此如果需实现梁单元与实体单元的铰接，两者共用节点即可；也可两者无共用节点，但具有重合节点时，直接耦合节点的平动自由度。

然壳单元与梁单元的节点自由度除了Rotz有所不同外，其余5个自由度皆具有相同的物理意义，因而当梁单元与壳单元具有公共节点时，可认为是除了Rotz外的一种刚性连接，例如最常见的建筑结构梁板体系的模拟。故如果要实现梁单元与壳单元的铰接，必须通过节点耦合方法，具体方法为在同一位置处建立两种单元各自的节点，然后耦合平动自由度。

简单小案例：

如下所示结构模型，左端平板采用壳单元模拟，右边部分采用同截面的梁单元模拟，材料选用混凝土C30，平板尺寸为1000x1000，厚度200，梁单元截面尺寸为1000x200,长度5000，平板与梁相交部分采用铰接处理，两端固结，平板上承受 1MPa的均布荷载。

打开后的单元形状如下：

命令流如下：

finish

/clear

/prep7

et,1,shell181

et,2,beam188

keyopt,2,3,3  !形函数设置

mp,ex,1,3.0e4

mp,prxy,1,0.2

mp,dens,1,2500e-12

sectype,1,shell

secdata,200

sectype,2,beam,rect

secdata,1000,200

blc4,,,1000,1000

wpoffs,,500

wprota,,90

a**w,all

!=============

!在相交部位同位置处创建一个关键点，以用于后续耦合

k,10,5000,500

k,11,1000,500

l,11,10

!============

esize,50

lsel,s,,,2

latt,1,,2,,,,2

lmesh,all

allsel,all

amesh,all

!=================

!相交部位耦合，其中1号节点是梁单元节点，103号节点是壳单元节点

cp,next,ux,1,103

cp,next,uy,1,103

cp,next,uz,1,103

!============

/solu

lsel,s,loc,x,0

dl,all,all,all

ksel,s,loc,x,5000

dk,all,all,all

sfa,all,1,pres,-1

allsel,all

solve

变形云图为：

为检验连接效果，梁单元弯矩图如下：

由弯矩图可见，在连接处弯矩为0，说明连接方式为铰接。

为更好对比结果，现在壳单元与梁单元处共用节点，结果云图如下: