ANSYS高级分析技术指南 单元的生和死 第六章单元的生和死 何为单元的生和死? 如果模型中加入(或删除)材料,模型中相应的单元就“存在”(或消亡) 单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。(可用的单元类 型在表6-1中列出。)本选项主要用于钻孔(如开矿和挖通道等),建筑物施工 过程(如桥的建筑过程),顺序组装(如分层的计算机芯片组装)和另外一些用 户可以根据单元位置来方便的激活和不激活它们的一些应用中。单元生死功能只 适用于 ANSYS/ Multiphysics, ANSYS/ Mechanical和 ANSYS/ Structural产品 Table 6-1 Elements with birth and death capability LINKI SURF19 SHELL41 SOLID64 PLANE83 SHELL143 PLANE2 PIPE20 PLANE42 SOLID65 SOLID87 SURF151 BEAM3 MASS2I SHELL43 PLANE67 SOLID90 SURF152 BEAM4 SURF22 BEAM44 LINK68 SOLID92SURF153 SOLIDS BEAM23 SOLID45 SOLID69 SHELL93SURF154 I BEAM24 PLANE53 SOLID70 SOLID95SHELL157 INK10 PLANE25 BEAM54 MASS71 SOLID96 TARGE169 LINK11 MATRIX27 PLANE55 SOLID72 SOLID97 TARGE170 PLANE13LINK31SHELL57SOLID73 SOLID98CONTA171 COMBIN14 LINK32 PIPE59 PLANE75 SHELL99CONTA172 PIPE16 LINK33 PlPE60 PLANE77 PLANE121CONTA173 PIPE17LINK34 SOLID62 PLANE78SOLID122CONTA174 IPEl I PLANE35 SHELL63 PLANE82SOLID123 在一些情况下,单元的生死状态可以根据 ANSYS的计算数值决定,如温度 应力,应变等。可以用 ETABLE命令( Main menu> General Postproc> Element Table>Define table)和ESEL命令( Utility Menu> Select> Entities)来确定 选择的单元的相关数据,也可以改变单元的状态(溶和,固结,俘获等)。本过 程对于由相变引起的模型效应(如焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模 型体的一部分),失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。 单元生死是如何工作的? 要激活“单元死”的效果, ANSYS程序并不是将“杀死ˆ的单元从模型中删除, 而是将其刚度(或传导,或其他分析特性)矩阵乘以一个很小的因子[ ESTIF] 因子缺省值为1.0E-6,可以赋为其他数值(详见‘施加载荷并求解”一章)。死单 元的单元载荷将为0,从而不对载荷向量生效(但仍然在单元载荷的列表中出 现)。同样,死单元的质量,阻尼,比热和其他类似效果也设为0值。死单元的 质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。 与上面的过程相似,如果单元“出生”,并不是将其加到模型中,而是重新 激活它们。用户必须在PREP7中生成所有单元,包括后面要被激活的单元。在 求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元,先杀死它,然后在合适的载荷 步中重新激活它 当一个单元被重新激活时,其刚度,质量,单元载荷等将恢复其原始的数 值。重新激活的单元没有应变记录(也无热量存储等)。但是,初应变以实参形 式输入(如LIN1单元)的不为单元生死选项所影响。而且,除非是打开了大 6-1
ANSYS 高级分析技术指南 单元的生和死 6-1 第六章 单元的生和死 何为单元的生和死？ 如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就“存在”（或消亡）。 单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。（可用的单元类 型在表 6－1 中列出。）本选项主要用于钻孔（如开矿和挖通道等），建筑物施工 过程（如桥的建筑过程），顺序组装（如分层的计算机芯片组装）和另外一些用 户可以根据单元位置来方便的激活和不激活它们的一些应用中。单元生死功能只 适用于 ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical 和 ANSYS/Structural 产品。 Table 6-1 Elements with birth and death capability LINK1 SURF19 SHELL41 SOLID64 PLANE83 SHELL143 PLANE2 PIPE20 PLANE42 SOLID65 SOLID87 SURF151 BEAM3 MASS21 SHELL43 PLANE67 SOLID90 SURF152 BEAM4 SURF22 BEAM44 LINK68 SOLID92 SURF153 SOLID5 BEAM23 SOLID45 SOLID69 SHELL93 SURF154 LINK8 BEAM24 PLANE53 SOLID70 SOLID95 SHELL157 LINK10 PLANE25 BEAM54 MASS71 SOLID96 TARGE169 LINK11 MATRIX27 PLANE55 SOLID72 SOLID97 TARGE170 PLANE13 LINK31 SHELL57 SOLID73 SOLID98 CONTA171 COMBIN14 LINK32 PIPE59 PLANE75 SHELL99 CONTA172 PIPE16 LINK33 PIPE60 PLANE77 PLANE121 CONTA173 PIPE17 LINK34 SOLID62 PLANE78 SOLID122 CONTA174 PIPE18 PLANE35 SHELL63 PLANE82 SOLID123 在一些情况下，单元的生死状态可以根据 ANSYS 的计算数值决定，如温度， 应力，应变等。可以用 ETABLE 命令（Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table）和 ESEL 命令（Utility Menu>Select>Entities）来确定 选择的单元的相关数据，也可以改变单元的状态（溶和，固结，俘获等）。本过 程对于由相变引起的模型效应（如焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模 型体的一部分），失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。 单元生死是如何工作的？ 要激活“单元死”的效果，ANSYS 程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除， 而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF]。 因子缺省值为 1.0E-6，可以赋为其他数值（详见“施加载荷并求解”一章）。死单 元的单元载荷将为 0，从而不对载荷向量生效（但仍然在单元载荷的列表中出 现）。同样，死单元的质量，阻尼，比热和其他类似效果也设为 0 值。 死单元的 质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“杀死”的同时也将设为 0。 与上面的过程相似，如果单元“出生”，并不是将其加到模型中，而是重新 激活它们。用户必须在 PREP7 中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。在 求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适的载荷 步中重新激活它。 当一个单元被重新激活时，其刚度，质量，单元载荷等将恢复其原始的数 值。重新激活的单元没有应变记录（也无热量存储等）。但是，初应变以实参形 式输入（如 LINK1 单元）的不为单元生死选项所影响。而且，除非是打开了大
ANSYS高级分析技术指南 单元的生和死 变形选项[ NLGEOM,ON],一些单元类型将以它们以前的几何特性恢复(大变形效果 有时用来得到合理的结果)。单元在被激活后第一个求解过程中同样可以有热应 变(等于α*(T-TREF),如果其承受热量体载荷 如何使用单元生死特性 可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死,其基本过程与相应 的分析过程是一致的。对于其他分析来说,这一过程主要包括以下三步: 建模 施加载荷并求解 查看结果 修改基本分析步骤如下以包括单元生死特征 建模: 在PREP7中,生成所有单元,包括那些只有在以后载荷步中才激活的单元。 在PREP7外不能生成新的单元。 施加载荷并求解: 在 SOLUTI0N中完成以下操作: 定义第一个载荷步 在第一个载荷步中,用户必须选择分析类型和所有的分析选项。用下列方 法指定分析类型: Command: ANTYPE GUI: Main Menu)Solution>-Analysis Type-New Analysis 在结构分析中,大变形效果应打开。用下列命令设置该选项 Command NLGEOM. ON GUI: Main Menu)Solution>Analysis Options 对于所有单元生死应用,在第一个载荷步中应设置牛顿一拉夫森选项,因 为程序不能预知EKIL命令出现在后面的载荷步中。用下列命令完成该操作: ommand: NROPT GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 杀死[EKIL]所有要加入到后续载荷步中的单元,用下列命令: Command EKILL GUI: Main Menu >Solution>-Load Step Opts-Other )Kill Elements 单元在载荷步的第一个子步被杀死(或激活),然后在整个载荷步中保持该 状态。要注意保证使用缺省的矩阵缩减因子不会引起一些问题。有些情况下要考 虑用严格的缩减因子。用下列方法指定缩减因子数值: ommand ESTIF GUI: Main Menu Solution>other)Stiffnessmult 不与任何激活的单元相连的结点将“漂移”,或具有浮动的自由度数值。在 些情况下,用户可能想约束不被激活的自由度[D,CP等]以减少要求解的方程 的数目,并防止出现位置错误。约束非激活自由度,在重新激活的单元要有特定 的(或温度等)时很有影响,因为在重新激活单元时要删除这些人为的约束。同 时要删除非激活自由度的结点载荷(也就是不与任意激活的单元相连的结点) 同样,用户必须在重新激活在自由度上施加新的结点载荷。 6-2
ANSYS 高级分析技术指南 单元的生和死 6-2 变形选项[NLGEOM,ON],一些单元类型将以它们以前的几何特性恢复（大变形效果 有时用来得到合理的结果）。单元在被激活后第一个求解过程中同样可以有热应 变（等于 a*(T-TREF)),如果其承受热量体载荷。 如何使用单元生死特性 可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死，其基本过程与相应 的分析过程是一致的。对于其他分析来说，这一过程主要包括以下三步： 建模 施加载荷并求解 查看结果 修改基本分析步骤如下以包括单元生死特征： 建模： 在 PREP7 中，生成所有单元，包括那些只有在以后载荷步中才激活的单元。 在 PREP7 外不能生成新的单元。 施加载荷并求解： 在 SOLUTION 中完成以下操作： 定义第一个载荷步： 在第一个载荷步中，用户必须选择分析类型和所有的分析选项。用下列方 法指定分析类型： Command: ANTYPE GUI: Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis 在结构分析中，大变形效果应打开。用下列命令设置该选项： Command: NLGEOM,ON GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 对于所有单元生死应用，在第一个载荷步中应设置牛顿－拉夫森选项，因 为程序不能预知 EKILL 命令出现在后面的载荷步中。用下列命令完成该操作： Command: NROPT GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 杀死[EKILL] 所有要加入到后续载荷步中的单元，用下列命令： Command: EKILL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements 单元在载荷步的第一个子步被杀死（或激活），然后在整个载荷步中保持该 状态。要注意保证使用缺省的矩阵缩减因子不会引起一些问题。有些情况下要考 虑用严格的缩减因子。用下列方法指定缩减因子数值： Command: ESTIF GUI: Main Menu>Solution>Other>StiffnessMult 不与任何激活的单元相连的结点将“漂移”，或具有浮动的自由度数值。在 一些情况下，用户可能想约束不被激活的自由度[D,CP 等]以减少要求解的方程 的数目，并防止出现位置错误。约束非激活自由度，在重新激活的单元要有特定 的（或温度等）时很有影响，因为在重新激活单元时要删除这些人为的约束。同 时要删除非激活自由度的结点载荷（也就是不与任意激活的单元相连的结点）。 同样，用户必须在重新激活在自由度上施加新的结点载荷
ANSYS高级分析技术指南 单元的生和死 下面是第一个载荷步中命令输入示例: !第一个载荷步 TIME !设定时间值(静力分析选项) NLGEOM. ON !打开大位移效果 !设定牛顿一拉夫森选项 !设定非缺省缩减因子(可选 ESEL !选择在本载荷步中将不激活的单元 EKILL !不激活选择的单元 ESEL, S LIVE !选择所有活动单元 NSLE. S !选择所有活动结点 NSEL, INVE !选择所有非活动结点(不与活动单 元相连的结点) D, ALL, ALL, O !约束所有不活动的结点自由度(可 选 NSEL. ALL !选择所有结点 ESEL, ALL !选择所有单元 !施加合适的约束 施加合适的活动结点自由度载荷 施加合适的单元载荷 BF !施加合适的体载荷 请参阅TIME, NLGEOM, NROPT, ESTIF,ESEL, EKILL,NSLE,NSEL,D,F,SF和BF命 令得到更详细的解释。 后继载荷步 在后继载荷步中,用户可以随意杀死或重新激活单元。象上面提到的,要 正确的施加和删除约束和结点载荷 用下列命令杀死单元 ommand: EKILL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements 用下列命令重新激活单元 Command EALIVE GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem !第二个(或后继)载荷步: TIME ESEL EKILL !杀死选择的单元 ESEL EALIVE !重新激活选择的单元 FDELE !删除不活动自由度的结点载荷 !约束不活动自由度 在活动自由度上施加合适的结点载荷
ANSYS 高级分析技术指南 单元的生和死 6-3 下面是第一个载荷步中命令输入示例： !第一个载荷步 TIME,... !设定时间值（静力分析选项） NLGEOM,ON !打开大位移效果 NROPT,FULL !设定牛顿－拉夫森选项 ESTIF,... !设定非缺省缩减因子（可选） ESEL,... !选择在本载荷步中将不激活的单元 EKILL,... !不激活选择的单元 ESEL,S,LIVE !选择所有活动单元 NSLE,S !选择所有活动结点 NSEL,INVE !选择所有非活动结点（不与活动单 元相连的结点） D,ALL,ALL,0 !约束所有不活动的结点自由度（可 选） NSEL,ALL !选择所有结点 ESEL,ALL !选择所有单元 D,... !施加合适的约束 F,... !施加合适的活动结点自由度载荷 SF,... !施加合适的单元载荷 BF,... !施加合适的体载荷 SAVE SOLVE 请参阅 TIME,NLGEOM,NROPT,ESTIF,ESEL,EKILL,NSLE,NSEL,D,F,SF 和 BF 命 令得到更详细的解释。 后继载荷步 在后继载荷步中，用户可以随意杀死或重新激活单元。象上面提到的，要 正确的施加和删除约束和结点载荷。 用下列命令杀死单元： Command:EKILL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements 用下列命令重新激活单元： Command: EALIVE GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem !第二个（或后继）载荷步： TIME,... ESEL,... EKILL,... !杀死选择的单元 ESEL,... EALIVE,... !重新激活选择的单元 ... FDELE,... !删除不活动自由度的结点载荷 D,... !约束不活动自由度 ... F,... !在活动自由度上施加合适的结点载荷
ANSYS高级分析技术指南 单元的生和死 DDELE 删除重新激活的自由度上的约束 SAVE SOLVE 请参阅TIME,ESEL,EKIL, EALIVE, FDELE,D,F和 DDELE命令得到更详细的解 查看结果 对于大多数部分来说,用户在对包含不激活或重新激活的单元操作时应按 照标准的过程来做。但是必须清楚的是,杀死ˆ的单元仍在模型中,尽管对刚度 (传导)矩阵的贡献可以忽略。因此,它们将包括在单元显示,输出列表等操作 中。例如,不激活的单元在结点结果平均( PLNSOL命令或 Main menu> General Postproc> Plot results> Nodal solu)时将“污染”结果。整个不激活单元的输出 应当被忽略,因为很多项带来的效果都很小。建议在单元显示和其他后处理操作 前用选择功能将不激活的单元选出选择集 使用 ANSYS结果控制单元生死 在许多时候,用户并不清楚的知道杀死和重新激活单元的确切位置。例如, 用户要在热分析中“杀死ˆ熔融的单元(在模型中移去溶化的材料),事先不会知 道这些单元的位置;用户必须根据 ANSYS计算出的温度确定这些单元。当决定杀 死或重新激活单元依靠 ANSYS计算结果时(如温度,应力,应变等),用户可以 使用命令识别并选择关键单元 用下列方法识别关键单元: command ETABLE GUI: Main Menu>General Postproc >Element Table>Define Table 用下列方法选择关键单元 Command: ESEL GUI: Utility Menu>Select>Entities 然后用户可以杀死或重新激活选择的单元。(也可以用 ANSYS APDL语言编 写宏以完成这些操作。) 用下列方法杀死选择的单元: Command: EKILL ALL GUI: Main Menu)Solution>-Load Step Opts-Other>Kill elements 用下列方法重新激活选择的单元: Command: EALIVE, ALL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-other>Activate Elem 下面的例子是杀死总应变超过许用值的单元 /SOLU !进入求解器 !标准的求解过程 SOLVE FINISH /POSTI !进入POST1 SET
ANSYS 高级分析技术指南 单元的生和死 6-4 DDELE,... !删除重新激活的自由度上的约束 SAVE SOLVE 请参阅 TIME,ESEL,EKILL,EALIVE,FDELE,D,F 和 DDELE 命令得到更详细的解 释。 查看结果 对于大多数部分来说，用户在对包含不激活或重新激活的单元操作时应按 照标准的过程来做。但是必须清楚的是，“杀死”的单元仍在模型中，尽管对刚度 （传导）矩阵的贡献可以忽略。因此，它们将包括在单元显示，输出列表等操作 中。例如，不激活的单元在结点结果平均（PLNSOL 命令或 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu）时将“污染”结果。整个不激活单元的输出 应当被忽略，因为很多项带来的效果都很小。建议在单元显示和其他后处理操作 前用选择功能将不激活的单元选出选择集。 使用 ANSYS 结果控制单元生死 在许多时候，用户并不清楚的知道杀死和重新激活单元的确切位置。例如， 用户要在热分析中“杀死”熔融的单元（在模型中移去溶化的材料），事先不会知 道这些单元的位置；用户必须根据 ANSYS 计算出的温度确定这些单元。当决定杀 死或重新激活单元依靠 ANSYS 计算结果时（如温度，应力，应变等），用户可以 使用命令识别并选择关键单元。 用下列方法识别关键单元： Command: ETABLE GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table 用下列方法选择关键单元： Command:ESEL GUI: Utility Menu>Select>Entities 然后用户可以杀死或重新激活选择的单元。（也可以用 ANSYS APDL 语言编 写宏以完成这些操作。） 用下列方法杀死选择的单元： Command:EKILL,ALL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Kill Elements 用下列方法重新激活选择的单元： Command:EALIVE,ALL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem 下面的例子是杀死总应变超过许用值的单元： /SOLU !进入求解器 ... ... !标准的求解过程 SOLVE FINISH ! /POST1 !进入 POST1 SET
ANSYS高级分析技术指南 单元的生和死 ETABLE, STRAIN,EPTO,EQV!将总应变存入 ETABLE ESEL,S,ETAB, STRAIN,0.20!选择所有总应变大于或等于0.20的单元 FINISH /SOLU !重新进入求解器 EKILL, ALL !杀死选择(超过允许值)的单元 ESEL, ALL !读入所有单元 !继续求解 请参阅 ETABLE,ESEL, ANTYPE和EKIL命令得到更详细的解释。 进一步的说明 不活动的自由度上不能施加约束方程[CE, CENTE等]。(不活动的自由度当 结点不与活动的单元相连时出现)。 可以通过先杀死然后重新激活单元的方法做应力松弛(如退火)操作 在非线性分析中,注意不要因为杀死或重新激活单元引起奇异性(如结构 分析中的尖角)或刚度突变。这将使得收敛困难 在有单元生死的分析中打开FUL牛顿一拉夫森方法的适应下降选项将得 到好的结果。用下列方法 Command NROPT FULL,, ON GUI: Main Menu)Solution>Analysis Options 可以通过一个参数值来指示单元生死状态[*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE] ( Utility menu> Parameters> Get Scalar data)。该参数可以用于APDL逻辑分支 (*IF等),或其他要控制单元生死的应用场合中。 用户可能想通过改变材料特性来杀死或重新激活单元[ MPCHG](Main Menu> Preprocessor)Material Props> Change Mat Num)。但是,在这个过程中要 特别小心。软件保护系统和限制使得“杀死”ˇ的单元在求解器中改变材料特性时将 不生效。(单元集中载荷不能自动删除;应变,质量,比热等也不能删除。)不当 的使用MPCG命令将带来许多问题。例如,如果将单元的刚度缩减到近于0,而 保留其质量,在有加速度和惯性载荷的问题中将产生奇异性。 个 MPCHG的应用是在建立模型时涉及“出生”单元的应变历程的情况下 使用 MPCHG可以得到单元在变形的结点构造中的初始应变。 在单元生死中不能用多载荷步求解[ LSWRITE],因为不激活或重新激活的单 元状态将不写入载荷步文件中。有多个载荷步的生死单元分析应该用一系列的 SOLVE命令( Main menu> Solution> Current ls)来做 单元生死应用实例(命令行格式) 问题描述 等截面杆两端固定,承受均匀的温度载荷时将其中间1/3段移去。过程是将 其应变自由化并移去均匀温度。分析其热应力和应变情况。材料特性和几何模型 参数见下图
ANSYS 高级分析技术指南 单元的生和死 6-5 ETABLE,STRAIN,EPTO,EQV !将总应变存入 ETABLE ESEL,S,ETAB,STRAIN,0.20 !选择所有总应变大于或等于 0.20 的单元 FINISH ! /SOLU !重新进入求解器 ANTYPE,,REST EKILL,ALL !杀死选择（超过允许值）的单元 ESEL,ALL !读入所有单元 ... ... !继续求解 请参阅 ETABLE,ESEL,ANTYPE 和 EKILL 命令得到更详细的解释。 进一步的说明 不活动的自由度上不能施加约束方程[CE,CEINTF 等]。（不活动的自由度当 结点不与活动的单元相连时出现）。 可以通过先杀死然后重新激活单元的方法做应力松弛（如退火）操作。 在非线性分析中，注意不要因为杀死或重新激活单元引起奇异性（如结构 分析中的尖角）或刚度突变。这将使得收敛困难。 在有单元生死的分析中打开 FULL 牛顿－拉夫森方法的适应下降选项将得 到好的结果。用下列方法： Command: NROPT,FULL,,ON GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 可以通过一个参数值来指示单元生死状态[*GET,Par,ELEM,n,ATTR,LIVE] (Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data)。该参数可以用于 APDL 逻辑分支 （*IF 等），或其他要控制单元生死的应用场合中。 用户可能想 通过改变 材料特性 来杀死 或重新激 活单元[MPCHG](Main Menu>Preprocessor>Material Props>Change Mat Num)。但是，在这个过程中要 特别小心。软件保护系统和限制使得“杀死”的单元在求解器中改变材料特性时将 不生效。（单元集中载荷不能自动删除；应变，质量，比热等也不能删除。）不当 的使用 MPCHG 命令将带来许多问题。例如，如果将单元的刚度缩减到近于 0，而 保留其质量，在有加速度和惯性载荷的问题中将产生奇异性。 一个 MPCHG 的应用是在建立模型时涉及“出生”单元的应变历程的情况下。 使用 MPCHG 可以得到单元在变形的结点构造中的初始应变。 在单元生死中不能用多载荷步求解[LSWRITE]，因为不激活或重新激活的单 元状态将不写入载荷步文件中。有多个载荷步的生死单元分析应该用一系列的 SOLVE 命令（Main Menu>Solution>Current LS）来做。 单元生死应用实例（命令行格式） 问题描述 等截面杆两端固定，承受均匀的温度载荷时将其中间 1/3 段移去。过程是将 其应变自由化并移去均匀温度。分析其热应力和应变情况。材料特性和几何模型 参数见下图