Ansys Workbench工程实例之——Link杆单元静力学分析

在Workbench中，无法直接生成Link单元（图惜注：2020之后的版本已改进），需要在模型中插入Command命令(即APDL命令)来生成Link单元，常用LINK 180单元，具有塑性、蠕变、旋转、大变形和大应变功能，支持弹性、各向同性强化塑性、随动强化塑性等材料定义。Link180单元只有X、Y、Z三个方向的平移自由度，没有旋转自由度，一般都基于大变形状态。以下通过实例详解Link单元的使用。

实例1，如下模型，横杆长1m，斜杆与之夹角30°，两杆的截面积为100mm²，在两杆交汇处吊有1000N的重物，求两杆的变形与应力（不考虑压杆稳定性）。

Step1 建模。

本例模型较简单，直接使用DM建模。

在DM的XY平面创建草图，绘制一条折线，水平线长1000mm，斜线与水平线夹角30°。然后通过Concept——Lines From Sketches创建线体。

通过Concept——Cross Section——Rectangular创建正方形截面，边长为10mm。给梁线赋予截面。

注意：也可创建其他形状的截面，因为杆单元只有轴向变形、轴向应力和轴力，它们与截面积有关系，而与截面形状无关系。此处创建的截面积也不是必须满足100mm²，因为Link单元的截面积是通过Command命令定义的。此处创建截面只是为了导入Mechanical后不报错且在后处理云图中更直观。

Step2 分析前处理。

（1）模型网格类型定义。梁的默认网格是Beam188，此处需要将拉索改为Link180，并且设置其他属性。

右击特征树中拉索的线体——Insert——Commands，在文本最后加入以下信息：

et,matid,link180

r,matid,100

sstif,on

其中：

et,matid,link180 表示定义当前几何体为Link180单元。

r,matid,100是r,matid,100,0,0的省略写法。表示定义当前几何体的截面积为100mm²，注意校核下图中的单位。省略的第一个0表示keyopt（2）参数，一般保持默认0或不填，表示保持体积不变（拉长时截面收缩、压缩时截面扩张），若改为1则表示截面积不变。第二个0表示keyopt（3）参数，默认0或不填则表示能承受拉伸和压缩，即二力杆状态，如果为1则表示只能承受拉伸，即拉索状态，如果为2则表示只能承受压缩。

sstif,on表示应力刚化，对于Link单元，如果是线性分析（未打开大变形开关），那么需要添加此行，如果已打开大变形，那么系统默认此选项打开。所以建议link单元都添加此句。

（2）网格划分。

Link单元通常只划分一份网格，如果涉及找形分析的话，可以划分为多个单元，但常常需要调试才能收敛。在Mesh下添加Sizing控制，在Geometry中选择2条杆线，Type为Number of Divisions，数量为1，Behavior为Hard(强制，试情况可不设置)。

（3）设置边界条件。

固定左端两端点，对右端端点施加向下1000N的力。

Step3 结果后处理。

计算后可直接添加变形结果，总变形云图如下。

但是无法通过Srees、Beam Tool添加Link应力结果，也无法通过Beam Results添加轴力结果。通过Woorksheet也无法添加以上结果。要添加轴向应力与轴力结果，需要导入到Ansys经典截面，操作如下。

设置Analysis Settings属性，Analysis Data Management下的Save MAPDL db修改为yes，表示保存为DB文件用于与APDL交互。

右击Solution——Clear Generated Data，清除计算数据，然后再右击Solution——Solve重新计算。

退出Mechanical，回到WB主界面，将Toolbox工具箱中Component Systems下的Mechanical APDL拖入到本项目的Solution栏中。

随后出现APDL项目，点击Update Project更新项目，使原项目所有栏出现√。右击Analysis栏——Edit in Mechanical APDL...，进入APDL界面。

进入APDL界面后，点击Toolbar中的RESUM_DB刷新DB数据，将在图形区出现模型。

（1）应力添加方法如下：

显示截面：显示应力前需要先将截面形状显示出来，点击菜单栏PlotCtrls——Style——Size and Shape，出现对话框，点击Display of element后方的勾选框，使其变为On，点击对话框下方ok按钮退出。

读取结果文件：点击General Postproc——Read  Results——Last Set，即可读取结果文件。

显示应力云图：点击General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Element Solu，跳出对话框。在对话框中选择Stress——X-Component of stressl或von Mises stress，再点击ok按钮，即可添加轴向（X向）应力结果，由于杆只能受轴向力，所以等效应力数值与轴向应力相同，但是X-Component of stressl可显示正负，正为拉应力，负为压应力。

轴向应力结果如下图，斜杆拉应力为20Mpa，平杆压应力为17.32Mpa。

（2）轴力添加方法如下：

求轴力前需要先定义单元表：点击General Postproc——Plot Results—Element Table——Define Table，在跳出的Element Table Data窗口中选择ADD...，跳出Define Addition Element Table Items窗口，在User Label for item后输入forcee，在Rrsults data item的左窗口中选择最下端By sequence num选项，右方窗口默认，在右下窗口的SMISC,后输入1。点击ok按钮。出现警告窗口，点击Close按钮，点击Element Table Data窗口Close按钮。

显示轴力云图：点击General Postproc——Plot Results——Contour Plot——Elem Table，跳出对话框。在对话框中选择FORCEE（默认），再点击ok按钮，即可添加轴力结果。正值表示受拉，负值表示受压。

结果显示如下，斜拉杆受拉力2000N，水平杆受压力1732N。

此处使用力学公式可验证上面的计算结果：

斜拉杆受到的拉力=1000/sin30°=2000N

水平杆受到的压力=1000/tan30°=1732N

杆的应力=受力/截面积

斜拉杆拉伸应力=2000/100=20Mpa

水平杆压缩应力=1732/100=13.32Mpa

可见与软件计算一致。

实例2，某信号塔主体由直径为Φ50mm的圆钢构成，安装后高度为10m，在距离地面8m处均布架设有4根Φ10mm，相互对称夹角为20°的钢绳拉紧在地面，每根钢绳初始预紧量为全长的1%（81.2mm）。型号塔顶端安装的设备最大受到1000N的横向风力，求信号塔主梁与拉绳的变形与应力。

Step1 建模。

本例模型较简单，直接使用DM建模。

在DM的XY平面创建草图，绘制一条竖直的10000mm的线条。然后通过Concept——Lines From Sketches创建线体。

通过Create——Point在刚才的线体上创建一个加载点（Point Load），属性中Type选择Point Load，Definition选择Single（单个），Guide Edges选择线体，FD1输入8000。边在线体上创建了加载点。

再在XY面创建草图，绘制一条折现，对称角为20°，折点高8000，通过Concept——Lines From Sketches创建线体，创建时注意Operation选择Add Frozen，否则新创建的线体将和之前的合并为一个零件。

另外一条折现通过在YZ平面绘制再提取完成。也可通过Create——Body Transformation——Rotate旋转**刚才的折现完成。

通过Concept——Cross Section——Circular分别创建两个圆形截面，Circular1半径为25mm，Circular2半径为5mm。给竖直梁线赋予截面Circular1，给拉索赋予截面Circular2。

Step2 分析前处理。

（1）模型网格类型定义。梁的默认网格是Beam188，此处需要将拉索改为Link180，并且设置单元其他属性。

右击特征树中拉索的线体——Insert——Commands，在文本最后加入以下信息：

et,matid,link180       !定义单元类型为Link180。

r,matid,78.5,,1         !截面积为78.5mm²，仅能承受拉伸。

sstif,on               ！刚度硬化打开。

inis,set,dtyp,epel      ！初始状态说明

inis,defi,,,,,0.01        ！初始应变为0.01（即1%）

其中：

r,matid,78.5,,1 表示定义当前几何体的截面积为78.5mm²，保持体积不变，仅能承受拉伸，即拉索状态。

对于inis,set,dtyp,epel与inis,defi,,,,,0.01也可不定义，而使用两步载荷，第一步使用强制位移预紧，第二步加载边界条件，此处不作详解。注意在实际工程中，拉索初始应变远远达不到0.01，此例只为说明操作方法。

（2）连接的定义。

由于梁单元有6各自由度，而Link单元只有3个自由度，一般不通过Form New Part共享节点，因此本例在竖梁上建立了Point Load用于连接梁与Link。梁与Link之间通常采用Spot Weld(点焊)连接。

右击特征树Connections——Insert——Spot Weld，分别选择两条Link上的折点与梁上的点，如果不好选择可先将其余线体隐藏（F9）。最终使两条Link的拐点都与梁上的Point Load连接。

（3）网格划分。

每条Link线体仅划分一个单元，在Mesh下添加Sizing控制，在Geometry中选择四条拉索，Type为Number of Divisions，数量为1，Behavior为Hard(强制)。

同样，给竖梁划分500份网格。

（4）设置边界条件。

在有预紧的静力学分析中，一般需要将计算分为两步，即对Analysis Settings设置2步，一步预紧，一步加载工况。比如螺栓连接、拉索连接等。

但是在本例中，由于在Link中已经设置了初始预紧应变，不需要再对4条拉索设置力或强制位移，所以也不需要分步。

但是在Analysis Settings属性中需要打开大变形选项。

固定竖梁和4条拉索下顶点，对上顶点施加1000N沿X方向的力。

Step3 结果后处理。

总变形如下，梁与Link单元的变形云图都可以通过Mechanical显示。

添加梁应力结果：选择特征树Solution，点击工具栏Tool——Beam Tool，可在结果中添加梁结果，最大组合应力云图如下左。

添加等效应力结果：选择特征树Solution，在属性中将Beam Section Results改为Yes，即可添加工具栏Stress——Equivalent (von-Mises)，云图如下右。

对于Link单元的应力结果需要到APDL界面查看，操作同实例1，此例为了使结果显示清晰，我们需要隐藏网格轮廓，点击标题栏PlotCtrls——Style——Edge Options——Element outline style选择none。等效应力结果如下图。

本例扩展：

本例拉索与竖直梁连接处采用了点焊连接，也可以采用Form New Part共享节点，此时需要在竖直梁的草绘图中作两段线，下段长度8m，上端长度2m。提取草图之后不需要在竖直梁上添加Point Load点。作折现草图时注意折点处需要出现P标志才表示与竖直梁的中间端点重合了。最后在通过Form New Part组合三条线体即可，其余操作同上文。在Mechanical中不需要再创建点焊连接。

以上两例中Link单元均只划分了1个单元，杆索中间不受垂直力和弯矩，那么Link180是否可以模拟由于受重力而产生向下的挠度的高空电缆呢？

实例3，某电缆长10m，截面直径20mm，固定两端，初始应变0.0001，求最大挠度。

Step1 建模。

本例模型较简单，直接使用DM建模。

在DM的XY平面创建草图，绘制一条水平直线长10000mm，然后通过Concept——Lines From Sketches创建线体。

通过Concept——Cross Section——Rectangular创建正方形截面，边长为10mm。给梁线赋予截面。

通过Concept——Cross Section——Circular分别创建半径为10mm的圆形截面，给电缆赋予截面Circular1。

Step2 分析前处理。

（1）模型网格类型定义。右击特征树中拉索的线体——Insert——Commands，在文本最后加入以下信息：

et,matid,link180       !定义单元类型为Link180。

r,matid,1256,,1        !截面积为1256mm²，仅能承受拉伸。

sstif,on               ！刚度硬化打开。

inis,set,dtyp,epel      ！初始状态说明。

inis,defi,,,,,0.0001      ！初始应变为0.0001。

（2）网格划分。

Link线体划分100个单元：在Mesh下添加Sizing控制，在Geometry中选择四条拉索，Type为Number of Divisions，数量为100，Behavior为Hard(强制)。

（3）设置边界条件。

Analysis Settings属性中需要打开大变形选项。

固定电缆两端点，对电缆施加-Y方向的247N的均布力（模拟重力作用）。

Step3 结果后处理。

总变形如下。

其实本例模型弯曲并不是因为每个Link单元产生弯曲，而是单元之间的节点产生转动，如果将单元划分为2~4个，则弯曲云图如下。由此也可知，Link单元之间相当于是通过铰点连接在一起，铰点不限制单元的转动。所以有时也形象第称Link单元为链单元。当单元数量足够多时，就可以通过多段直线模拟电缆的真实弯曲。

扩展：

除了通过r,定义截面积为定常数外，也可以让软件自动识别我们模型的截面积，命令为“*get,用户定义的名称,secp,matid,pro,area”,然后通过SECTYPE与SECDATA调用用户定义的名称。比如实例2的指令可按下图修改：

et,matid,link180 r,matid,78.5,,1

sstif,on

inis,set,dtyp,epel

inis,defi,,,,,0.01

*get,name2021,secp,matid,prop,area

et,matid,link180

SECTYPE,matid,link,

SECDATA,name2021

sstif,on

inis,set,dtyp,epel

inis,defi,,,,,0.01

图惜写在此文时，使用的时WB2019之前的版本，使用杆单元需要插入命令。在2020之后的版本，WB做出了改进，使用杆单元不需要再插入命令，只需要再Mechanical中对几何体设置即可。

本文案例仅为说明操作方法，不能直接作为工程计算的结论。关于Link单元笔者平时很少使用，也有很多问题没有搞懂，本文难免有很多纰漏，敬请批评指正。

参考文献：

[1]《Ansys Workbench有限元分析实例详解》——周炬、苏金英

[2] ANSYS 18.0帮助文件