2.3 水工三维壳体结构仿真单元SHELL63

2.3.1 壳体单元SHELL63简介

1.单元形状

如图2.48所示为SHELL63结构图，该单元是三维弹性单元，该单元在每个节点上有6个自由度（X、Y、Z方向的变形和旋转），允许应力硬化和大变形。

图2.48 SHELL63的几何形状

2.单元参数输入

对于SHELL63单元而言，其必须或可选的参数输入包括：

节点：I、J，K，L；自由度：UX，UY，UZ、ROTX、ROTY、ROTZ；截面实参（Real Constants）：TK（I），TK（J），TK（K），TK（L），EFS，THETA，RMI，CTOP，CBOT，（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），（Blank），ADMSUA。

3.材料参数

EX（弹性模量）；ALPX （or CTEX or THSX）（泊松比）；DENS（密度）；其他参数。

输出成果：T（X，Y，XY）：轴力/剪力；M（X，Y，XY）：弯矩；S：1，2，3：主应力。

2.3.2 分析实例概述

桁架是水利工程中比较常用的结构形式，具体实例利用第2.2节案例的框架，再在顶部加上一个50cm的面板，面板上左右各250kPa的面力。

2.3.3 ANSYS分析壳体结构

ANSYS的分析实现过程如下：

（1）启动ANSYS，指定分析路径、数据库名称、分析标题。在命令对话框中分别输入/title，Analysis of statically shell structure Using SHELL63和/filename，Analysis of statically shell structure Using SHELL63，分别按回车键，定义完成。

（2）读入并修改模型，本例将沿用第2.2节计算结束的文件，操作方法：单击Flie→Resume From命令，如图2.49所示，弹出Resume Database对话框，浏览工作目录，在Resume DatabaseFrom输入框中输入“Analysis of Concrete statically indeterminate structure.db”，其余保持默认，单击“OK”按钮导入模型，如图2.50所示设置。

图2.49 启动读入模型命令

图2.50 导入模型设置

（3）进入前处理模块：单击ANSYS Main Menu→Preprocessor命令，单击Preferences，在弹出的Preferences for GUI Filteing对话框中，将Individual discipline（s）to show in the GUI选项中选择Structural，单击“OK”按钮，设置分析类型为结构分析。

（4）定义单元类型。单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete命令，弹出添加单元的“Element Type”对话框，如图2.51所示，单击“Add…”按钮，弹出单元库窗口，如图2.52所示，在Library of Element Type （单元类型库）对话框左边的滚动框中单击“Structural Mass→Shell”，选择二维结构单元类型。在右边的滚动框中单击“Elastic 4node 63”，此为SHELL63单元，Element type reference number（单元号）输入框中输入2，其余保持默认，然后单击“OK”按钮，关闭Library of Element Types （单元类型库）对话框。Element Types （单元类型）对话框中将列出定义的单元类型，单击“Close”按钮，SHELL63单元的结果输出添加设置完成，如图2.53所示，单元列表增加新的单元。

图2.51 添加新单元

图2.52 新单元SHELL63添加过程

（5）定义面板的实参。单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Element Type→Real Constants→Add/Edit/Delete命令，弹出Real Constant对话框，如图2.54所示，单击“Add…”按钮，弹出Element Type for Real Constants对话框，选择第（3）步设置的单元，如图2.55所示，单击“OK”按钮，弹出Real Constants For SHELL63对话框，Real Constant Reference No.输入框中输入2，其余各项按照如图所示设置，如图2.56所示，单击“OK”按钮，返回Real Constants对话框，如图2.57所示，单击“Close”按钮完成梁实参设置。

图2.53 模型中所用到的两种单元

图2.54 添加实参窗口

图2.55 选择实参设置单元为SHELL63

（6）创建面板。创建面板的方法很多，本例通过顶部的4个关键点，生成面：单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KP命令，弹出选择窗口，单击选择顶面4个节点，单击“OK”按钮，创建如图2.58所示的面。

图2.56 SHELL63单元实参设置选项

图2.57 添加实参成功

图2.58 创建面板

（7）划分面网格。指定面属性，操作方法：单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→All Areas命令，弹出Area Attri butes对话框，按如图2.59所示设置后，单击“OK”按钮，完成面板属性设置。

图2.59 定义面属性

打开网格划分。操作方法：单击ANSYS Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Tool命令，在弹出的MeshTool对话框中，在Element Attributes选项的下拉列表框中选择为Global，Mesh选项的下拉列表框中选择为Areas，Shape复选框选择Mapped，并在下拉菜单中选择3 or 4 Sided，其余各项保持默认，完成设置后单击“Mesh”按钮；弹出Mesh Areas选择框，单击选择“Pick All”按钮后完成面板单元的划分。

（8）添加面力荷载。添加面力荷载之前，首先进入求解模块，操作方法：单击ANSYS Main Menu→Solution命令。本例的力学模型认为将力均匀分布在此前创建的面板上，操作方法：单击ANSYS Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Pressure→On Areas命令，在弹出的Apply PRES on areas对话框选中Pick前的复选框，单击选择此前创建的面板上表面，单击“OK”按钮；在弹出的Apply PRES on areas选项中将VALUE项输入-2500000，其余的保持默认设置，如图2.60所示，单击“OK”按钮完成荷载设置。至此，由于本例在之前第2.2节中就加载了重力和立柱的固定端约束以及梁上的3个荷载。

图2.60 添加面力荷载选项

（9）求解。检查模型各项设置，确定完全无误后，开始求解。求解过程与前文各章介绍相同，即单击ANSYS Main Menu→Solution→Solve→Current Ls命令，启动ANSYS的求解器。

（10）面板内力查看。要输出所创建面板的内力，首先定义单元表，根据SHELL63单元的性质，TX、TY、TXY、MX、MY、MXY分别定义SMISC1、2、3、4、5、6。

首先进入后处理模块：单击ANSYS Main Menu→General PostProc命令，首先定义单元表，操作方法：单击ANSYS Main Menu→General PostProc→Element Table→Define Table命令，按照前面的方法单击“Add…”按钮进行设置，弹出Define Additional Element Table Items对话框，按照如图2.61所示设置。采用同样的方法创建以后几个参数，其单元列表如图2.62所示。设置结束后即可绘制内力。绘制X方向轴力，操作方法：单击ANSYS Main Menu→General PostProc→Plot Results→Contour Plot→Elem Table命令，弹出Contour Plot of Element Table Data选项对话框，其设置如图2.63所示，单击“OK”按钮，如图2.64所示为面板的弯矩图。

图2.61 添加单元表选项框设置

图2.62 添加完成的单元列表

图2.63 绘制弯矩图所需要的单元列表选项设置

图2.64 面板的弯矩图