在本讲座中，我们将讨论如何使用 Ansys Mechanical 高效分析薄壳体。我们在工程中经常遇到薄壳体，分析此类设计会带来一些挑战。我们将解决这些挑战，特别是尝试解决三个问题：
• 什么是薄壳体？它们有什么特别之处？
• 为什么我们应该使用壳单元来模拟薄壳体？
以及如何在 Ansys Mechanical 中使用壳单元对薄壳体薄结构进行建模？
“薄”几何形状的指定厚度显著小于其他两个尺寸的结构被称为薄壳体。
没有经验法则，但指定一个结构为薄壳体的一个准则是当一个尺寸比其他尺寸小 10 倍时。我们在日常生活中看到的许多装置和设备都可以归类为薄壳体。其中一些例子是电子外壳、压力容器、燃料箱等。
理想情况下，实体单元的纵横比应接近 1，我们虽然可以在更高的纵横比下获得相当准确的结果。然而，如果纵横比太高（使用实体单元对薄结构进行网格划分时经常出现这种情况），我们就会开始看到较差的结果。另一种方法是生成非常精细的网格，以实现具有合理纵横比的实体单元，但这会增加自由度的数量，进而导致计算成本非常昂贵。这就是壳单元作为薄结构建模有效方法的吸引力所在。
壳单元简介
壳单元在空间上是 3D，但在几何上是 2D 单元。这意味着，它们的厚度没有明确建模；相反，它被定义为截面属性。与实体单元不同，壳单元的每个节点都有 6 个自由度 – 3 个沿主轴的平移和 3 个绕主轴的旋转。旋转自由度提供有关该位置的横截面是否保持垂直于中面或是否已旋转的信息。
壳单元的另一个关键点是它们具有膜(membrane)和弯曲行为，膜行为与其节点的面内变形相关，弯曲行为与其节点的面外变形相关。例如，如果我们考虑金属板，我们知道膜刚度比弯曲刚度要高得多，因为与拉动金属板相比，弯曲金属板相对容易。
壳单元的厚度方向应力
然而，现在可以说，由于与其行为相关的假设，壳单元也具有平面应力状态，因此其厚度方向上的应力为零。对于薄结构来说，这是一个合适的假设，但对于可以在其两个表面之间压缩的厚结构来说，它是无效的。因此，总而言之，我们使用膜和弯曲行为来捕获壳单元的响应，但这样做确实包括假设壳很薄并且在其厚度方向上没有应力分量。
壳单元坐标系
另一个需要注意的要点是壳单元的单元坐标系。
默认情况下，轴的方向是根据节点连通性定义的。在此处显示的具有节点 i、j、k 和 l 的壳单元中，x 轴平行于边 i-j，z 轴垂直于壳，这是使用右手拇指法则在方向上确定的。 i-j-k-l 编号，并且 y 轴垂直于 x 和 z 轴创建。
因此，在某些情况下，X 轴和 Y 轴可能会随机定向，这可能会导致解释结果时出现问题，例如在局部坐标系中更有意义的应力。
在这种情况下，可以对齐单元坐标系，因此壳结果在其解坐标系中解释。我们将在文章的后面部分讨论更多相关内容。
在 Ansys Mechanical 中，薄壳体使用曲面进行建模。它们在模型树中使用此符号进行识别。 曲面体在几何上是 2D，但在空间上是 3D。
它们可以在SpaceClaim 创建，也可以以中性文件格式从外部 CAD 系统导入。 在 SpaceClaim 中，可以使用草绘、中间面或拖动工具来准备曲面。
指定壳厚度和偏移
曲面体有两个关键属性 – 壳厚度和壳偏移。壳厚度可以通过不同的方式指定。
如果您使用中面工具生成曲面，则 SpaceClaim 将厚度信息传送到 Mechanical 中。如果您从不包含此信息的外部 CAD 文件导入曲面，则可以手动定义它。 还可以使用 Mechanical 中几何树下的这两个选项来定义可变厚度或具有不同厚度的分层部分。
另一个属性（壳偏移）有助于识别曲面是否代表实际几何体的中面、顶部或底部。默认情况下，曲面和相应的网格将代表中性面，但可以将其更改为顶面和底面之间的任何位置。
可以在 Surface Body 的“详细信息”视图中的下拉菜单中选择偏移类型。 曲面体因此具有法线方向，当选择曲面时，该法线方向由绿色标识。 壳单元具有“顶部”表面和“底部”表面。
下面我们通过一个实例来查看如何在模拟中使用壳单元。
在Spaceclaim中打卡一下压力容器，其厚度为0.25″。
使用prepare中的Midsurface工具，选择每个壳体的上下表面，生成中性平面。
接下来讲这四个面合作一个几何。选中这四个面，然后选择Workbench中的Share工具，点击确定。
关闭SpaceClaim，回到Ansys workbench，选择Model右击Update几何。
在Ansys Mechanical中打开该零件，在右边模型树种选在中性面，将材料设为结构钢，注意到厚度为0.25″，自动从SpaceClaim导入。偏移类型为Middle。
接下来生成网格，选中4个曲面零件，网格大小设为0.5″。
设置轴单元坐标系，前面说过，对于x或者y轴，其方向可能会随机指定，所以要规范一下。在Geometry中插入Element Orientation（元素方向），选中四个外壳零件。
对于z轴，我们想要其垂直于表面，选择所有外表面。
对于x轴，我们想让其沿着圆周方向，选择如下周长。
生成元素方向后放大观察，可以看到所有壳元素z轴垂直于表面，x轴沿着圆周，y轴沿着压力容器的长度方向。
设定压力载荷，选择4个曲面，压强为500psi
底部两个支撑面设为Fixed Support：
最后设置接触面，选择容器的底部和支撑柱的上表面，将Formulaiton设为MPC，约束类型设为Projected, Uncouploed U to ROT。
这里需要注意的重要一点是，当固定支撑边界条件应用于实体单元的节点，这些节点的所有 3 个位移分量均设置为零。但当固定支撑条件应用于壳单元的节点时，除了位移之外，3 个旋转自由度也设置为零。
壳体压力载荷的考虑
接下来，我们有一个压力边界条件。
在之前的模型中，容器被建模为实体，在储罐的内表面施加正压力会导致向外的压力，从而导致储罐膨胀。但在此模型中，施加正压会导致施加向内的压力，从而使储罐受到压缩。那么为什么会发生这种情况呢？如果我们选择水箱的一个面，则水箱的外侧将显示为绿色，这意味着水箱的顶面位于水箱的外侧，而底面位于水箱的内侧。
因此，正压力意味着在z 方向上施加压力，这反过来又会产生向内的压缩压力。为了反转施加压力的方向，我们将压力的符号从正变为负。
另一件需要注意的事情是，在之前的模型中，我们将压力施加在水箱的内表面上。但在这个模型中，我们在面积比内表面更大的中性面上施加压力。因此，要在两种情况下施加相同的力，我们需要相应地调整压力。最后的压力调整为-488.4psi
在分析结果中插入膜应力和弯曲应力这两个壳元素特有的应力，注意到前面有个问号，这是因为Ansys默认不生成这两个结果。
去到分析设置->输出控制->杂项，将选项设为yes。
求解及查看结果
从变形动画可以看到容器确实是再向外膨胀。
变形大小同用实体建模的分析相比，基本没有什么区别。
膜应力结果，该膜应力也可以解释为周向应力或环向应力。
弯曲应力：
小结
1.薄壳体可以有效地使用薄壳体来建模。
2.壳元素自带膜和弯曲行为。
3.壳元素采用平面应力公式，因此不用考虑厚度方向的压缩。
4.壳元素上的节点有6自由度，因此要使用基于MPC的固定接触来连接壳和实体元素。
5.壳元素有膜应力和弯曲应力等特别的输出结果。