完结篇 | ANSYS中，为什么科研工作者更青睐的180系列单元（二）？

前言

        在ANSYS中，为什么科研工作者更青睐的180系列单元（一）？中已经包含180系列的实体平面单元与其他单元的优势对比，本部分（二）包含180系列的beam单元和shell单元的优势对比，分为Beam单元篇和Shell单元篇。

Beam单元篇

        主要对比分析如下表中beam单元，其实用到有限元仿真科研工作者在遇到梁类单元直接选择180系列单元即可，选择其他单元需要慎重，相信这些单元会逐渐被淘汰。

        180系列的beam单元支持丰富的截面选项，包括标准截面库，任意用于指定截面，多材料截面，锥型截面，用户控制的截面网格设置，如下表所示。

 Beam180系列单元优势1 & 说明示例1

        180系列beam单元提供一致的质量矩阵，包括旋转惯性项，（一致质量矩阵区别于集中质量矩阵，读者可自行查阅学习，简单说一致质量矩阵准确性较好，容易收敛），以如下翼梁的模态分析说明：

对比分析
对如下左图机翼梁进行模态分析，采用Solid45实体单元与Beam189单元进行对比，可以看到Beam189单元计算的模态频率与实体单元计算的模态频率一致。

 Beam180系列单元优势2

     180系列beam单元提供高度精确的(扭转/横向)剪切应力，且该特性不局限于按特定的梁截面或拓扑复杂性。该对剪切应力的描述能力，在土木工程中被认为是重要的。该部分读者可自行验证。

 Beam180系列单元优势3 & 说明示例2

        180系列beam单元可以提供多材料属性界面特性，对于标准截面和用户自定义截面都是适用的，如下图所示，

标准工字梁截面	用户自定义梁截面

 Beam180系列单元优势4 & 说明示例3

        180系列beam单元可以提供复合曲梁建模能力，以如下悬臂曲梁的静态分析说明：

对比分析

如下悬臂曲梁的静态加载变形问题，采用beam189和Solid186实体单元对比分析，其中NDOF代表节点自由度，Solid186实体单元的计算结果作为参考值，可以看到Beam180系列单元建模的悬臂梁末端节点位移与实体单元结果一致，说明了计算的准确性，同时可以看到Beam单元所需计算时间极大的减少了。

 Beam180系列单元优势5 & 说明示例4

        180系列beam单元可以分析含翘曲自由度问题，其中，翘曲问题在系统求解方程中具体表现为如下圆圈标记项，以如下含翘曲变形梁的屈曲分析说明：

翘曲问题描述

对比分析‍‍

如下开口截面形状的梁屈曲分析，临界屈曲载荷可以通过文献《Theory and numeri beams with elastoplastic material behavior by F.Gruttmann et al.》计算得到，即如下计算公式：     ‍ 其中，，，， 由计算结果可以看到，当考虑翘曲变形得到的前两阶屈曲临界值与理论值一致，当不考虑翘曲变形，屈曲临界值远小于理论值。

 180系列Beam单元其他优势

Shell单元篇

        主要对比分析Shell181单元，该单元具有如下表，包括对层合复合材料的建模能力、印刷面建模、一致缩减积分模式和非协调模式的选择。

对比分析1

以三明治夹层板的模态频率计算为案例，这里具体模型可以忽略，根据以下计算结果，且与实体单元Solid45建模的三明治夹层板的结果对比可以看出，Shell181单元建模的夹层板的模态频率计算误差较小，而Shell91单元建模的计算误差非常大。

其他优势

• ANSYS提供了方便友好的层合复合材料的铺材截面，如下图，当然对于复杂的层合材料笔者还是推荐命令流进行铺材。
  

• Shell181包含旋转惯性效果，其他 shell单元均忽略了旋转惯性。

• 考虑横向剪切刚度，在层合材料的载荷计算前，将评估层间剪切应力分布系数，且可以使用一致能量等效横向剪切系数（仅shell181）.

• 丰富的材料本构，包括弹塑性，粘弹性，粘塑性和超弹性材料本构,用户自定义材料本构。

• 非线性收敛性鲁棒性强。

本部分结束，感谢阅读。