天方地圆结构-梁壳单元建模实例！再次验证应力奇异的可怕性！

笔者近期遇到了一台特殊结构的设备，有四段不同截面形式的壳体组成：最上段为矩形截面壳体，第二段为长宽逐渐变小的矩形截面壳体过渡段，第三段为天方地圆结构的过渡段，第四段为圆筒形截面壳体，而且在每一段壳体上外围都分布有角钢加强圈。因其结构的特殊性和非规则性，如果以实体单元建模，工作量很大，最重要的是天方地圆结构似乎无法采用实体单元建模，但如果采用梁壳单元建模的话似乎就容易很多，而且可以完美的采用梁单元来建立外压加强圈，于是梁壳单元的模型如下图所示：

采用梁壳单元建模的注意事项：

1. 采用线体建梁的时候，需要给线体赋予截面形状和尺寸；

2. 采用面体的时候，需要给面体赋予厚度属性；

3. 线体和面体都具有一定的方向，一定要注意方向赋予的正确性；

4. 可通过“view cross section solids”显示梁的模型，而面的模型只有在网格划分之后才会显示，在网格划分之前无法显示厚度，所以最终检查模型的时候，需要划分一下网格之后再检查。

相较于实体单元，采用壳单元建模的时候网格划分就变得简单很多，不需要对体进行过多的切分操作成全部可扫掠的体，只需要对不同的体通过“body sizing”进行体的网格尺寸控制就可以了，网格划分后的模型如下图：

网格划分注意事项：

1. 最重要的一点是实现网格节点的共享，实体建模的时候只需通过“form new part”操作便可实现网格节点的共享，而采用梁壳单元仅仅通过“form new part”操作是不能实现网格节点共享的；

2. 实现梁壳单元网格节点的共享最重要的一点是在建模过程中就需要考虑和实现的，在建模的时候切记要使得线体与面体的轮廓在同一平面上（即共面），才能在后续过程中实现节点的共享；

3. 建模的时候线体和面体共面之后，还必须进行“jiont”接合操作，然后再通过“form new part”操作才能实现节点共享，仅“form new part”操作则不能实现节点的共享；

4. 如果发现在进行“jiont”接合操作之后也进行了“form new part”仍未实现节点的共享，那么就是建模的时候出现问题了，可能就需要从源头对模型修改，以面体轮廓为基准进行线体的建立，实现线体与面体共面的建模方式；

5. 如若修改模型比较麻烦，还有一种方法在不共享节点的情况下也可完成求解，就是自己进行绑定接触的设置，将各个线体与面体、面体与面体通过“bonded”进行绑定接触。绑定接触的目的也是防止欠缺约束，产生位移和变形分离，但是绑定接触和共享节点还是不同的两个概念，如若在非重点考察部位通过绑定接触是没有问题的，但如若在重点考察的应力部位，绑定接触和共节点计算结果会有些许差距。

本设备位移约束施加在耳座底面上，并分别考虑了内压、设备本体自重、物料自重、地震加速度的影响，关于载荷施加部分前面文章中做了很多介绍，可参考链接：

【软件操作】十问十答系列之载荷位移约束施加技巧

针对此模型梁壳单元的载荷施加注意事项主要有以下两点：

1. 施加等效压力载荷的时候针对线体要采用“line pressure”施加，此时“pressure”是对线体是无效的；

2.施加“line pressure”时，不能同时对多个线体进行施加，只能一个个线体进行施加，如上述矩形截面上表面的四条边施加压力载荷的时候，需要通过四次相同的操作一条边一条边的施加，而不能同时在四条边上通过一次操作进行施加。

因此模型存在矩形截面，即有90°夹角部分，从理论上来说，此部分位置必然会产生应力集中，笔者通过不断细化网格求解验证发现，网格越细化，应力值则越大，如果仅仅出现应力集中的话，即使网格不断细化，那么最终的应力值也会趋于一个稳定值，但此模型则是随着网格的不断细化，应力值似乎有无限变大的趋势，所以此时，应力集中的部位已然产生了应力奇异，但此应力奇异是实际模型本身的几何缺陷造成的，因而是无可避免的。

因而，对于有几何结构突变部位并非网格越细化越好的，网格细化却带来了无法判断结果准确性的一个可怕后果，建议：

1. 在建模的时候如果存在几何突变部位，务必要采用倒圆角进行圆滑过渡，以避免应力集中变成了应力奇异（即使真实模型中并未有圆角过渡）。

2. 梁壳单元在突变部位随网格细化产生应力奇异是无可避免的，所以尽量避免在有几何突变的部位采用梁壳单元，最好采用实体单元。

3. 实体建模时，四面体网格也会随网格细化产生无可避免的应力奇异，所以最好采用六面体网格，这一点压力容器行业基本上都采用六面体网格。

应力分析仅仅有漂亮的计算云图和计算结果是远远不够的，分析设计人必须具有判断计算结果准确性的能力，试想如果以并非准确的应力结果作为评定依据，那将是多么可怕的一件事情！