ANSYS 中的表面效应单元
使用表面效应单元施加载荷
* 有时，可能需要施加所使用单元不支持的表面载荷，例如：可能需要在实体结构单元上施加沿表面切向或任何方向的均布载荷；在热实体单元的表面上同时施加热流载荷和对流载荷，或者施加指定的辐射，等。
在这种情况，可以用表面效应单元覆盖需要施加载荷的表面并使用它们作为一个管道以施加所需的载荷。
* 目前可以使用的表面效应单元：对二维问题：SURF151和SURF153；对三维问题：SURF152和SURF154。
* 怎样施加如下的压力荷载：
–像剪切荷载一样与表面相切的荷载？
–像螺栓荷载一样在表面上变化的荷载？
–像屋顶上冰载荷一样与面成一定角度的载荷？
- 像水压一样的非均布压力载荷？
* 表面效应单元为处理这些问题提供了有效的方法。
表面效应单元的特点：
* 像“皮肤”一样覆盖在网格表面
* 如同面载荷的管道
* 很容易创建，一般操作过程如下：
- 选择感兴趣表面上的节点；
- 激活恰当的单元类型；
- 执行 ESURF (或 Preprocessor > Create > Elements > Surf Effect > GenerlSurf > No Extra…)；
- 选择所有节点，定义 SURF 单元。
* 对 2-D 和 3-D 模型都有用:
– SURF151 & 153 是线单元 (热和结构的)，表示 2-D 模型的边界线。
– SURF152 & 154 是面单元 (热和结构的)，表示 3-D 模型的边界面。
* 本节只讨论 SURF154，其它单元可同样处理。
SURF154 单元，详见参考手册中的描述
* SURF154 使用不同的单元面号来接受不同类型的载荷。
* 面号在“Apply PRES on elems”对话框中：
Solution > Difine Loads > Apply > Pressures > On Elements，如下所示。
或在 SFE 命令的 LKEY 范围内：
SFE, ELEM, LKEY, PRES, , VAL1, VAL2, VAL3, VAL4
* 假设给一组 SURF154 单元施加幅值为 1000 的压力，它的方向取决于使用了单元的那一个面。
其中：
面 1：
–法线方向的压力。
–正值作用到单元里 (沿着单元坐标 -Z 的方向)。
–例如: sfe,all,1,pres,,1000 (选定所要的单元之后)。
面 2 和 3：
–切向压力，分别沿着单元坐标 X 和 Y
–例如：
sfe,eflat,3,pres,,1000
sfe,eslope,2,pres,,1000
(eflat 和 eslope 是由单元构成的 Component)
面 4：
* 法向压力, 渐变压力：
压力数值 = P1 + Xg P2 + Yg P3 + Zg P4
- P1-P4 被列入 VAL1-VAL4（SFE命令）
- Xg,Yg, Zg 是单元积分点的笛卡尔坐标.
- P2, P3, P4 分别是总体坐标中的斜率，若留空白缺省为 P1
* 正值作用到单元里 (沿单元坐标–Z 的方向)。
* 例如, 施加一沿 X 方向、大小从 200 到 1000 的渐变压力，作用范围在 X 轴上的 -2 到 +2
- 斜率 P2 = (1000-200) / 4 = 200; P3 = 0; P4 = 0
- P1 是在 Xg=0 处的值，按 P1= 2 (200) + 200 = 600 计算
- sfe, eflat, 4, pres, , 600, 200, 0, 0
面 5：指定方向的面载荷
* P1 - 数值的压力矢量。
* 方向 =
* P2, P3, P4 - 现在代表矢量的方向余弦，对数值无影响。
* 例如：
sfe, eflat, 5, pres, , 1000, -1, -1, 0
定义了 X-Y 面内 45 度方向的压力。
* 压力矢量的幅值也依赖 KEYOPT(11)。
* KEYOPT(11)=0 (缺省) 和 1 给单元的突出面施加压力。
- 对螺钉荷载有用(或销钉荷载)。
- 例如：
sfe, ecurv, 5, pres, , 1000, 0, -1, 0
在曲面上定义了一个螺栓荷载。
如下图位置 1 轮廓线所示。
– KEYOPT(11) = 2 对整个面施加压力。
- 对斜面有用(如屋顶)或风载荷。
- 如：
sfe, eslope, 5, pres, , 1000, 0, -1, 0
对整个斜面定义了完全相同的压力。
如下图所示：
其他表面效应单元的应用：
* 实体单元的扭矩
- 借助修改的单元坐标系施加切向荷载。
- 对轴和螺钉问题非常适用。
* 热描述 (SURF151 & 152) 有许多内容，包括:
- 传输到一维管道单元FLUID116 的热量。
- 通过一个面的热量损失的简便计算。
- 辐射。
表面效应单元例题 1：
- 在斜面上施加指定方向的载荷
- 创建有限元模型时，应同时定义单元类型 SURF154：
然后选中 surf154 单元，设置相关的选项：
- SURF154 单元及其单元坐标系：
单元坐标系的 x 轴从节点 I 到节点 J；节点 K 与节点 I、J 一起构成单元坐标系的 XY 平面，然后由右手定则确定 Z 轴：
- 所用的模型如下，在其中某个表面上施加压力载荷。
以下说明对单元选项的不同设置所产生的表面压力：
- 使用 solid95 单元，对实体划分网格。
为了使用 MAP 方式划分网格，先将整个体切分为 3 个六面体：
- 设置单元长度为 20：
- 以 map 方式划分网格：
- 以下采用不同的单元设置，对表面 6 (图中 A6) 施加压力载荷：
- 创建表面效应单元：先选择表面 A6：
Select > Area > 点取 A6 > OK
- 然后选择附着在这些面上的节点：
Select > Nodes > Attached to > Areas,all > Apply：
- 绘制所选择的节点：
- 由节点生成表面效应单元，先设置单元属性。
单元类型设置为 SURF154，其余根据实际情况选择：
- 由节点生成表面效应单元，可以使用 Pick All 选项：
- 所生成的表面效应单元：
1 对于 surf154 单元的不同选项，压力方向是不一样的。
首先将压力坐标系设为单元坐标系，看压力方向什么样：
surf154 单元的单元坐标系：
- 然后先选择并显示表面效应单元，再在表面效应单元上施加不同的压力，在如下选择框中点击 Pick All ：
- 选择不同的 Load Key，可以施加不同方向的载荷。
当压力坐标系为单元坐标系时：1 –(-z) 单元表面的法线方向；2 –(+x) 切线方向；3 –(+y) 切线方向；4 - (-z) 法线方向，线性变化；5 –指定矢量方向：
- 压力坐标系为单元坐标系时，不同的Load Key 对应的载荷方向：
为了让压力坐标系使用局部坐标系，需要先修改受载单元的单元坐标系为对应的局部坐标系，操作如下：
2 将压力坐标系设为局部坐标系，看压力方向什么样：
- 然后在表面效应单元上施加不同的压力，先显示表面效应单元，然后点击Pick All ：
- 此处修改各表面效应单元的坐标系为与总体直角坐标系平行的坐标系(不能直接使用总体直角坐标系)。
为此需要先创建一个与总体直角坐标系平行的局部坐标系 11：
- 再将需要施加压力载荷的表面效应单元的坐标系转换为该局部坐标系：
- 选择不同的 Load Key，可以施加不同方向的载荷。
当压力坐标系为局部坐标系时：Load Key = 1,2,3 时压力方向与局部坐标系的坐标轴方向一致；4 –仍是单元表面的 (-z) 法线方向，线性变化；5 –指定矢量方向：
- 压力坐标系为局部坐标系 11 (平行总体直角坐标系) 时，不同的 Load Key 对应的载荷方向：
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