ANSYS14.0软件结构壳体单元解析及应用实例

1.SHELL181

（1）单元简介

SHELL181单元适合对薄的及具有一定厚度的壳体结构进行分析。SHELL181单元使用一次位移插值函数，为低阶单元，具有常应变性能。如图2-34所示，SHELL181单元由4个节点组成，每个节点具有6个自由度，分别是x、y和z方向的平动自由度和绕X、Y、Z轴的转动自由度。如果应用了薄膜选项，则SHELL181单元只有移动自由度。简并三角形选项只在SHELL181单元作为充填单元进行网格划分时才会用到。

SHELL181单元非常适用于分析线性的、大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。在SHELL181单元的应用范围内，完全积分和降阶积分都是适用的。SHELL181单元阐明了以下（荷载刚度）分布压强的效果。

SHELL181单元还可以应用在多层结构的材料，如复合层压壳体或者夹层结构的建模。在复合壳体的建模过程中，其精确度取决于第一剪切形变理论（通常指明德林一雷斯那壳体理论）。SHELL181单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、自动选择单元、单元生死、定义横截面特性和线性摄动分析功能。

图2-34 SHELL181单元几何图

（2）单元关键字

图2-35所示为“SHELL181 element type options（SHELL181单元关键字设置）”对话框。SHELL181单元包括K1、K2、K8和K9关键字。下面将给用户做详细讲解。

图2-35 “SHELL181单元关键字设置”对话框

1）K1关键字。K1关键字用来设置SHELL181单元刚度。用户可以选择两种单元刚度：完全和薄膜刚度（Bending and membrane），该选项为ANSYS默认选项；只考虑弯曲刚度（Membrane only）。

2）K2关键字。K2关键字用来设置SHELL181单元积分。用户可以选择两种单元积分：带沙漏控制的缩减积分（Reduced integration），该选项为ANSYS默认选项；不调和方式的完全积分（Full integration）。当用户使用带沙漏控制的缩减积分选项时，对薄膜和弯曲模式，SHELL181单元会选用沙漏控制算法。默认情况下，SHELL181单元会为金属和超弹应用问题计算沙漏参数，用户可以使用壳体横截面工具来设定沙漏刚度比例因子。使用缩减积分选项，用户可以通过对比总能量和用沙漏控制得到的人工能量来检测结果的精确性。如果人工能量和总能量的比率小于5%，一般来说结果就是可以接受的。总能量和人工能量同样可以在求解阶段用OUTPR，VENG命令监控。

在模拟板弯曲问题时，建议用户使用不调和方式的完全积分选项。该选项含有任何模拟能量机制，即便是模型的网格很粗糙，该选项也可以确保足够的精度。在模拟复合材料时，也建议用户使用该选项。

3）K8关键字。K8关键字用来设置SHELL181单元存储复合材料层数据。用户可以选择3种层数据存储方式：存储底层底部数据和顶层顶部数据（Bottom 1st top last），这是ANSYS的默认选项；存储所有层顶部和底部的数据（All layers）；存储所有层顶部、中部和底部的数据（All layers+Middle），可以应用于多层和单层结构单元。(www.xing528.com)

4）K9关键字。K9关键字用来设置SHELL181单元用户厚度。用户可以选择两种用户厚度：不使用初始厚度的用户子程序（No UTHICH routine），这是ANSYS的默认选项；从用户子程序UTHICK中读取初始厚度数据（Use UTHICH routine）。

2.SHELL281

（1）单元简介

SHELL281单元适合对薄的及具有一定厚度的壳体结构进行分析。SHELL281单元使用二次位移插值函数，为高阶等参单元，具有线应变性能，可以模拟复杂曲面模型。如图2-36所示，SHELL281单元由8个节点组成，每个节点具有6个自由度，分别是x、y和z方向的平动自由度和绕x、y、z轴的转动自由度。当用户使用只考虑弯曲变形时，SHELL281单元只有3个平动自由度。

SHELL281单元非常适用于分析线性的、大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。

SHELL281单元支持塑性、超弹、粘弹性、粘塑性/蠕变、弹性、应力刚化、大变形、非线性稳定性、自动选择单元、单元生死、定义横截面特性和线性摄动分析功能。

（2）单元关键字

图2-37所示为“SHELL281 element type options（SHELL281单元关键字设置）”对话框。SHELL281单元包括K1、K8和K9关键字，其中K8和K9的设置用户可以参见SHELL181。下面只给用户讲解K1关键字。

图2-36 SHELL281单元几何图

图2-37 “SHELL281单元关键字设置”对话框

K1关键字用来设置SHELL281单元的刚度。用户可以设置3种刚度：完全和薄膜刚度（Bending and membrane），该选项为ANSYS默认选项；只考虑弯曲刚度（Membrane only）；只计算应力/应变（Stress/strain evaluation only），该选项在ANSYS 14.0中暂不支持GUI设置，用户可使用命令流KEYOPT，ITYPE，1，2来设置（其中ITYPE为单元类型号；“1”为单元关键字K1），该选项仅建议用户在单层结构中使用，它可以计算壳单元外表面的应力和应变。