本文值得收藏-最全的典型单元介绍和概述！

默认被忽视的问题却往往最可能成为致命问题—论单元选择的重要性！

学好有限元分析并非只是一个软件问题，其背后基于的有限元理论博大精深，虽然现在软件已经越来越傻瓜化，并将一些高深的理论问题隐藏在软件的背后，但需知软件仅仅是一个操作工具，根本还是建立在理论之上的，虽然现在WB已经淡化了对单元的选择，将单元的选择根据所进行的分析类型采用缺省默认的单元，这些默认的单元当然也是大量实践案例得出来的比较优的单元，但并非是放之四海而皆准的，笔者之前听过有言论说，采用WB做分析计算的时候就直接采用默认的单元就可以了，不需要自己去选择和理解，笔者是不敢苟同的，笔者以为要想做好分析计算，仍需对各类单元有深入的了解，只有这样才能对所进行的分析计算有更清楚的认识，了解各类单元有很多的好处：比如可以在不影响计算精度的前提下择优选择单元，减少计算工作量；还可以用来对计算结果进行对比验证等等。笔者的观点一直是理论永远大于软件，没有扎实的理论基础和对标准的理解来支撑计算，说会分析计恐怕是不被认可的。所以本公 众号也越来越多的开始探讨理论问题。本文内容对各类单元其实只是进行了简单的介绍和概述，欲详细了解每个单元的原理最好是看Ansys帮助文档，里面对每个单元都有详尽的解释。

压力容器领域最常用的各类典型单元列于下表： 

1. link（杆）系列单元：

link1(2D)和link8(3D)单元用来模拟桁架，注意一根杆只需划一个单元；

link10单元可用来模拟拉索，注意要施加初应变，一根索可分多个单元；

link180单元是link10单元的加强版，一般也是用来模拟拉索。

2. beam（梁）系列单元：

beam3(2D)和beam4(3D)单元是经典的欧拉梁单元，可用来模拟框架中的梁柱，画弯矩图用etab读入smisc数据然后用plls命令。注意：虽然一根梁只划分一个单元在单元两端也能得到正确的弯矩图，但是要得到和结构力学书上的弯矩图相近的结果还需要多分几个单元。该单元需要手工在实常数中输入Iyy和Izz，并需注意方向。

beam44单元适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件，并可用"/eshape,1"显示出单元形状。

beam188和beam189单元号称超级梁单元，基于铁木辛科梁理论，有诸多优点：如考虑了剪切变形的影响，截面可设置多种材料，可用"/eshape,1"显示截面形状，截面惯性矩不用自己计算而只需输入截面特征，可以考虑扭转效应，可以变截面（8.0以后），可以方便地把两个单元连接处变成铰接（8.0以后，用ENDRELEASE命令）；缺点是：8.0版本之前beam188用的是一次形函数，其精度远低于beam4等单元，一根梁必须多分几个单元，8.0之后可设置“KEYOPT(3)=2”变成二次形函数，解决了这个问题。可见188单元已经很完善，建议使用。beam189与beam188的区别是有3个节点，8.0版之前比beam188精度高，但因其建模较麻烦，8.0版之后已无优势。

3. shell（板壳）系列单元：

shell41单元一般用来模拟膜。

shell63单元可针对一般的板壳，但需注意仅限于弹性分析。

它的塑性版本，即可用于塑性分析的是shell43单元。

加强版则是shell181单元（注意18*系列单元都是ansys后开发的单元，考虑了以前单元的优点和缺陷，因而更完善）。优点是：能实现shell41、shell63、shell43...的所有功能并比它们做的更好，偏置中点很方便（比如模拟梁版结构时常要把板中面往上偏置），可以分层，等等。

4. solid（体）系列单元：

solid45单元就不用多说了，solid95是带中间节点的升版单元。

solid46单元可以模拟单元的长厚比达到20比1的结构，故可以用来模拟钢板碳纤维板钢管等。

solid65单元是专门的混凝土单元，可以考虑开裂，关于此单元之前已经讨论很多了，清华大学的陆新征教授曾写的一个讲义里面有详细解释，可参考陆教授的个人主页（www.luxinzheng.net）。此单元在压力容器领域应用不大，感兴趣的朋友可以网上去搜搜。目前在压力容器领域最常用的solid系列单元莫过于solid185、solid186单元了。

5. combin（弹簧）系列单元：

常用的有combin7、14、39、40等系列单元。

combin7可以用来模拟铰接点，combin 14是最简单的带阻尼弹簧，combin 39是非线性弹簧，在实常数中可以灵活定义力－位移关系，可用来模拟钢筋与混凝土的粘结滑移等，combin 40据说可模拟隔震结构。combin系列单元在压力容器领域应用也并不多。

6. contact（接触）系列单元：

常用的有conta52，可用来模拟橡胶垫支座，这个很简单，可以用命令流添加（eintf）。TARGE16*和CONTA17*系列可用接触向导添加，三维的接触往往会造成收敛困难，和混凝土非线性分析一样，需要凭经验调参数反复试算。

以上介绍的6类单元中除过combin弹簧系列单元在压力容器领域应用较少之外，其余5类单元都是常用的单元。ANSYS的单元库提供了100多种单元类型，单元类型选择的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上，那么该如何选择单元呢？

1. 设定物理场过滤菜单，将单元全集缩小到该物理场涉及的单元类型；

2. 根据模型的几何形状选定单元的大类，如线性结构则只能用“Plane、Shell”这种单元去模拟；

3. 根据模型结构的空间维数细化单元的类别，如确定为“Beam”单元大类之后，在对话框的右栏中，有2D和3D的单元分类，则根据结构的维数继续缩小单元类型选择的范围；

4. 确定单元的大类之后，又是也可以根据单元的阶次来细分单元的小类，如确定为“Solid-Quad”，此时有四种单元类 型：Quad 4node 42 Quad 4node 183 Quad 8node 82 Quad 8node 183 前两组即为低阶单元，后两组为高阶单元；

5. 根据单元的形状细分单元的小类，如对三维实体，此时则可以根据单元形状是“六面体”还是“四面体”，确定单元类型为“Brick”还是“Tet”；

6. 根据分析问题的性质选择单元类型，如确定为2D的Beam单元后，此时有三种单元类型可供选择，如下：2D elastic 3 2Dplastic 23 2D tapered 54，根据分析问题是弹性还是塑性确定为“Beam3”或“Beam4”，若是变截面的非对称的问题则用“Beam54”。

7. 进行完前面的选择工作，单元类型就基本上已经定位在2-3种单元类型上了，接下来打开这几种单元的帮助手册，进行以下工作：

（1）仔细阅读其单元描述，检查是否与分析问题的背景吻合；

（2）了解单元所需输入的参数、单元关键项和载荷考虑；

（3）了解单元的输出数据；

上述七个步骤给出了单元选择的一般性通用方法，以供读者参考使用。

Mass21

是具有6个自由度的点元素，分别为x,y,z三个方向的线位移以及绕x,y,z轴的旋转位移，每个自由度的质量和惯性矩需分别定义。

Link1

可用于各种工程应用中，根据应用的不用，可以把此元素看成桁架，连杆，弹簧等，这个2维杆元素是一个单轴拉压元素，在每个节点都具有2个自由度：x,y方向。作为铰接结构，没有弯矩。

Link8

可用于不同工程中的杆。可用作模拟构架，下垂电缆，连杆，弹簧等。3维杆元素是单轴拉压元素。每个节点有3个自由度：x,y,z方向。作为铰接结构，同样没有弯矩。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化和大变形的特性。

Link10

3维杆元素，具有双线性劲度矩阵的特性，单向轴拉（或压）元素。对于单向轴拉，如果元素变成受压，则硬度就消失了。此特性可用于静力钢缆中，当整个钢缆模拟成一个元素时。当需要静力元素能力但静力元素又不是初始输入时，也可用于动力分析中。该元素是shell41的线形式，keyopt(1)=2,’cloth’选项。如果分析的目的是为了研究元素的运动（没有静定元素），可用与其相似但不能松弛的元素（如link8 和pipe59）代替。当最终的结构是一个拉紧结构的时候，Link10也不能用作静定集中分析中。但是由于最终局于一点的结果松弛条件也是有可能的。 在这种情况下，要用其他的元素或在link10中使用显示动力技术。Link10每个节点有3个自由度：x,y,z方向。在拉（或压）中都没有抗弯能力，但是可以通过在每个link10元素上叠加一个小面积的量元素来实现。具有应力强化和大变形能力。

Link11

用于模拟水压圆筒以及其他经受大旋转的结构。此元素为单轴拉压元素，每个节点有3个自由度：x,y,z方向。没有弯扭荷载。

Link180

可用于不同的工程中。可用来模拟构架，连杆，弹簧等。此3维杆元素是单轴拉压元素，每个节点有3个自由度：x,y,z方向。作为铰接结构，没有弯矩。具有塑性、徐变、旋转、大变形、大应变能力。link180在任何分析中都包括应力强化项（分析中，nlgeon,on），此为缺省值。支持弹性、各向同性硬化塑性、运动上的硬化塑性、希尔各向异性塑性、chaboche非线性硬化塑性和徐变等。

Beam3

单轴元素，具有拉、压、弯性能。在每个节点有3个自由度：x,y方向以及绕z轴的旋转。

Beam4

是具有拉、压、扭、弯能力的单轴元素。每个节点有6个自由度：x,y,z方向及绕x,y,z轴的旋转。具有应力强化和大变形能力。在大变形分析中，提供了协调相切劲度矩阵选项。

Beam23

单轴元素，具有拉、压、弯能力。每个节点有3个自由度。该元素具有塑性，徐变，膨胀能力。如果这些影响都不需要，可使用beam3，2维弹性梁。

Beam24

3维薄壁梁。单轴元素，任意截面都有拉、压、弯和St. Venant扭转能力。可用于任何敞开的和单元截面。该元素每个节点有6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z旋转。该元素在轴向和自定义的截面方向都具有塑性、徐变和膨胀能力。若不需要这些能力，可用弹性梁beam4或beam44代替。Pipe20和beam23也具有塑性、徐变和膨胀能力。截面是通过一系列的矩形段来定义的。梁的纵轴向方向由第三个节点指明。

Beam44

3维弹性锥形不对称梁。单轴元素，具有拉、压、扭和弯曲能力。该元素每个节点有6个自由度：x,y,z和绕x,y,z旋转。该元素允许每个端点具有不均匀几何特性，并且允许端点与梁的中性轴偏移。若不需要这些特性，可采用beam4。该元素的2维形式是beam54。该元素也提供剪应变选项，还提供了输出作用于单元上的与单元同方向的力的选项。具有应力强化和大变形能力。

Beam54

单轴元素，拉、压和受弯能力。每个节点有3个自由度。该元素允许在端点有不均匀几何性质。允许端点偏移梁的轴心。无塑性、徐变或膨胀能力。有应力强化能力。剪切变形和弹性基础影响也体现在选项中。还可打印作用于元素上的沿元素方向的力。

Beam188

3维线性有限应力梁。适用于分析短粗梁结构（长厚比一般为5：1）。该元素基于timoshenko梁理论。包括剪应变。Beam188是一个三维线性（2节点）梁。每个节点有 6或7个自由度，具体依赖于keyopt(1)的值。Keyopt(1)=0为每个节点6个自由度。包括x,y,z方向和绕x,y,z方向旋转。Keyopt(1)＝1还考虑了扭转自由度。该元素适用于线性、大旋转和大应变非线性。包括应力强化项在任何分析中，都缺省为nlgeom=on。该选项为元素提供了分析屈曲、侧移和扭转的能力。

Beam189

3维二次有限应力梁。适用于分析短粗梁结构。该元素基于timoshenko梁理论。包括剪应变。Beam189是一个三维二次（3节点）梁。每个节点有 6或7个自由度，具体依赖于keyopt(1)的值。Keyopt(1)=0为每个节点6个自由度。包括x,y,z方向和绕x,y,z方向旋转。Keyopt(1)＝1还考虑了扭转自由度。该元素适用于线性、大旋转和大应变非线性。包括应力强化项在任何分析中，都缺省为nlgeom=on。该选项为元素提供了分析屈曲、侧移和扭转的能力。与Beam188单元功能基本类似。

Plane2

2维6节点3角形结构实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素有6个节点定义，每个节点有2个自由度：x，y方向。可将其用于平面单元（平面应力或平面应变）或是轴对称单元。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。

Plane25

轴对称协调4节点结构体。用于承受非轴对称荷载的2维轴对称结构。如弯曲、剪切或扭转。该元素由4个节点定义，每个节点有3个自由度：x,y,z方向。对于非扭转节点，这3个方向分别代表半径、轴向和切线方向。该元素是plane42的一般模式，2维结构单元。

Plane42

2维实体。该元素既可用于平面单元（平面应力或平面应变）也可用于轴对称单元。该元素由4个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。

Plane82

二维8节点实体。该元素是plane42的高次形式。它为混合（四边形－三角形）自动网格划分提供了更精确的求解结果，并能承受不规则形状而不会产生任何精度上的损失。8节点元素具有位移协调形状，适用于模拟弯曲边界。该元素由8个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。可用于平面单元也可用于轴对称单元。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。并可提供不同的输出选项。

Plane83

二维8节点实体。用于承受非轴对称荷载的2维轴对称结构。如弯曲、剪切或扭转。该元素每个节点3个自由度：x,y,z方向。对于非扭转节点，这3个方向分别代表半径、轴向和切线方向。该元素是plane25的高次形式。它为混合（四边形－三角形）自动网格划分提供了更精确的求解结果，并能承受不规则形状而不会产生任何精度上的损失。该元素也是plane82的一般轴向形式，其载荷不要求对称。

Plane145

二维四边形实体p-元素。Plane145是一个四边形p-元素，支持最高为8次的多项式。该元素由8个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。可用于平面单元也可用于轴对称单元。

Plane146

二维三角形实体p-元素。Plane145是一个三角形p-元素，支持最高为8次的多项式。该元素由6个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。可用于平面单元也可用于轴对称单元。

Plane182

2维4节点实体。该元素用于2维模型。可用于平面单元也可用于轴对称单元。该元素由4个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。可用于平面单元也可用于轴对称单元。具有塑性、超弹性、应力强化、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。

Plane183

2维8节点实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由8个节点定义，每个节点2个自由度：x,y方向。可用于平面单元也可用于轴对称单元。具有塑性、超弹性、应力强化、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。支持初始应力。并提供不同的输出选项。

Solid45

3-D实体。用于3维实体结构模型。8个节点，每个节点3个自由度：x,y,z三个方向。该元素有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。提供 带有沙漏控制的缩减选项。各向异性选用solid64。solid45的高次形式使用solid95.

Solid46

3维8节点分层实体。是solid45的分层形式，用于模拟分层壳或实体。该元素允许达到250层。如果需要超过250层，需要用到一个构成矩阵选项。该元素也可通过选择的方法进行累积。每个节点有3个自由度：x,y,z方向。

Solid64

3维各向异性实体。该元素有8个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。具有应力强化和大变形能力。提供限制特大位移以及定义输出位置的选项。该元素有各种不同的应用，如用于晶体和合成物。

Solid65

3维钢筋混凝土实体。该元素用含钢筋或不含钢筋的3维实体。该实体能被拉裂或压碎。用于混凝土时，例如，元素的实体能力可以用来模拟混凝土，而钢筋能力用来模拟钢筋性能。在其他情况下，该元素还可用于加固合成物（如玻璃纤维）和地质材料（如石块）。元素由8个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。可以定义3个不同钢筋。混凝土元素与solid45相似，只是比它多了能被拉裂和压碎的能力。该元素最重要的方面是它具有非线性材料的性能。混凝土可以（在三个正交方向）开裂、压碎、塑性变形和徐变。钢筋可以抗拉压，但不能抗剪。也可以具有塑性变形和徐变的性能。

Solid92

3维10节点四面体结构实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由10个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。

Solid95

3维20节点实体。该元素是solid45的高次形式。能够用于不规则形状，而且不会在精度上有任何损失。该元素具有位移协调形状，适用于模拟弯曲边界。 该元素由20个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有空间的任何方向。并具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变能力。同时提供多种输出选项。

Solid147

3维砖实体p-元素。可支持最高为8次的多项式。该元素由20个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有空间的任何方向。

Solid148

3维四面体实体p-元素。可支持最高为8次的多项式。该元素由10个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。

Solid185

3维8节点实体。该元素用来模拟3维实体。由8个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。具有塑性、超弹性、应力强化、徐变、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。

Solid186

3维20节点实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由20个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有空间的任何方向。具有 塑性、超弹性、应力强化、徐变、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。同时提供多种输出选项。

Solid187

3维10节点四面体实体。具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该元素由10个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有空间的任何方 向。具有塑性、超弹性、应力强化、徐变、大变形、大应变能力。可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。

Solid191

3维20节点分层实体。是solid95的分层形式，用于模拟分层的壳或实体。该元素允许达到100层。如果超过100层，可通过累积的方法得到。该元素有20个节点定义，每个节点有3个自由度：x,y,z方向。具有应力强化能力。同时提供多种输出选项。

Shell28

剪扭面板。该元素用来在框架结构中传递剪力。该元素每个节点具有6个自由度：x,y,z方向或绕x,y,z轴旋转方向。

Shell41

薄膜壳。该元素为3为元素，有膜刚度没有弯曲刚度。用于弯曲处于次要位置的壳结构。该元素每个节点3个自由度：x,y,z方向。该元素具有可变厚度、应力强化、大应变和cloth选项。

Shell43

4节点塑性大应变桥。尤其适用于模拟线性、弯曲、中厚度壳结构。该元素每个节点有6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。在平面内的所有方向、变形都是线性的。对于平面外运动，可使用混合张量差值法。该元素具有塑性、徐变、应力强化、大变形、大应变能力。

Shell51

轴对称壳。每个节点有4个自由度：x,y,z方向和绕z轴旋转方向。圆锥壳元素的极限方向会产生圆柱桥或圆环壳。该壳单元具有线性变化的厚度。具有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、扭转能力。

Shell61

轴对称协调壳体。该元素每个节点4个自由度：x,y,z方向和绕z轴旋转方向。荷载可以是轴对称的也可以是非轴对称的。

Shell63

弹性壳。具有弯矩和薄膜特性。可承受与平面同方向及法线方向的荷载。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。有应力强化和大变形能力。提供用于大变形分析的连续性相切矩阵。

Shell91

非线性分层壳体。该元素用于分层壳模型或者用来模拟厚的夹层结构。一般shell99比shell91效率更高。使用夹层选项的最高允许的不同层数为 100。Shell99可以允许更多的层数，但不具有非线性特性。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴方向。

Shell93

8节点壳体。尤其适用于模拟弯曲壳体。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。在平面内的各方向变形都为二次。具有塑性，应力强化，大变形，扭转能力。

Shell99

线性分层壳体。用于模拟壳模型的分层部分。但是shell99不像shell91具有非线性特性，它具有较小的公式编辑时间。shell99最多可允许250层。如果超过250层，可以由用户输入构成矩阵。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。

Shell143

4节点塑性小应变壳体。尤其适用于模拟非线性、平面或弯曲、薄或中厚的壳体。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。在平面内的所有方向，变形都是线性的。对于平面外运动，可使用混合张量差值法。具有塑性、徐变、应力强化、大变形、小应变能力。对于大变形分析提供协调正切刚度矩阵（即由主正切刚度矩阵加上协调应力刚度矩阵）选项。对于大应变，包括由于大的膜应力导致的厚度变化，可以使用塑性大应变壳shell43。对于薄壳，如果不需要塑性和徐变，可以使用弹性四边形壳shell63。

Shell181

8节点壳体p-元素。支持最高为8次的多项式。该元素尤其适用于模拟弯曲壳。每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴旋转方向。

适用于分析薄到中厚的壳体。该元素为4节点元素，每个节点6个自由度：x,y,z方向和绕x,y,z轴玄幻方向。脱化的三角形选项只能在产生网格以后用作填充单元。该元素尤其适用于线性、大旋转、或大应变非线性分析。在非线性分析中，可以计算出壳厚度的变化。在元素范围内，支持完全和简化的积分制度。Shell181还解决的分布力的附加影响。在shell43遇到收敛困难时，可以由shell181来代替。

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