Solid5单元说明

Solid5 具有三维磁场，热场，电场，压电场和结构场分析能力，并能在各场之间实现有限的耦合。本单元有8个节点，每个节点最多有6个自由度。在静态分析中为了建立静磁场模型我们可以较容易得到标量电压公式（包括简化RSP，微分DSP，CAE，有限元分析，或者综合GSP）。关于这个单元参看ANSYS理论手册14.5节。具有相似场性能的耦合场单元有PLANE13，SOLID62，SOLID98。

图1 SOLID5 三维耦合场体单元

输入数据

在图1中给出了这个单元几何形状，节点位置和坐标系统。这个单元具有8个节点和材料属性。单位（MKS或者用户自己定义）通过EMUNIT命令来指定。EMUNIT也用来定义MUZERO的值。EMUNIT缺省值就是国际单位制而MUZERO=4π×10^-7 亨/米。除MUZERO之外，CAE，有限元分析，通过材料特性表中的MURX，MURY，MURZ来定义正交各向异性的相对导磁率。

MGXX，MGYY，MGZZ代表永磁材料矫顽力的矢量分量。矫顽力的大小是其各个分量的平方和的平方根。极化方向由分量MGXX，MGYY，MGZZ确定。永久磁极的极化方向以及正交各向异性材料的方向和单元坐标方向一致。单元坐标系统的定位参见坐标系统。非线性磁特性，压电特性和各向异性弹性特性用TB命令输入，参见数据表­­­­­---隐含分析。非线性正交各向异性磁特性可以通过B-H曲线和线性相关导磁率的结合来确定。这个B-H曲线用在各单元坐标方向上，相对导磁率将被指定为零。每种材料只能设置一个B-H曲线。

本单元可以组合使用不同的节点载荷（取决于KEYOPT（1）的值）。节点载荷用D和F命令定义。对D命令，Lab变量为自由度（UX，UY，UZ，TEMP，VOLT，MAG），VALUE为相应的数值（位移，温度，电压，梯状磁势能）。对F命令，Lab变量为力（F_HEAT，AMPS，FLUX），VALUE为相应的数值（力，热流量，电流或电荷，磁通量）。

单元载荷在 节点和单元载荷 中说明。表面载荷，压力，对流热，热流量和麦克斯韦力标记可以在单元边界面上通过SF和SFE命令输入，如图SOLID5单元几何中带圆圈数字所示。正压力指向单元内部。需要计算磁力的表面，可以在该面上使用无数值参数的面载荷命令MXWF做标记。为了得到磁力我们可计算这些面上的麦克斯韦尔应力张量。这些力在求解时可作为载荷施加到结构上。表面标记应该施加到需计算力的体相邻的空气单元上。删除指定的MXWF就能够取消标记了。

体载荷，温度，发热率和磁虚位移可以输入其在单元结点处的值或单一的单元值BF和BFE。当温度自由度被激活时（KEYOPT（1）=0，1或8）就可以忽略上面提到的应用在体上的温度值（BF，BFE）。一般情况下，未指定的节点温度和生热率都默认为由命令BFUNIF或TUNIF指定的值。计算出来的焦耳热值可以作为发热率应用在后面的迭代中。

如果存在温度自由度，计算得到的温度将替换任何输入的节点温度。

对于需要计算局部雅克比力的空气单元，可以通过使用BF命令中MVDI标识符的节点值取0或1来确定。详见ANSYS电磁场分析指南。求解时这些力不施加到结构上。

梯状磁势能电流选向可以由SOURC36单元的宏命令RACE来定义，或者通过电磁耦合来定义。不同类型梯状磁势能求解选向可以由MAGOPT命令来定义。

SOLID5输入汇总

单元名称

SOLID5

节点：I,J,K,L,M,N,O,P

自由度：

若KEYOPT（1）=0： UX,UY,UZ,TEMP,VOLT

若KEYOPT（1）=1： TEMP,VOLT

若KEYOPT（1）=2： UX,UY,UZ

若KEYOPT（1）=3： UX,UY,UZ,VOLT

若KEYOPT（1）=8： TEMP

若KEYOPT（1）=9： VOLT

若KEYOPT（1）=10： MAG

实参数：无

材料特性：EX, EY, EZ, (PRXY, PRYZ, PRXZ 或 NUXY, NUYZ, NUXZ), ALPX, ALPY, ALPZ, DENS, GXY, GYZ, GXZ, DAMP, KXX, KYY, KZZ, C, ENTH, MUZERO, MURX, MURY, MURZ, RSVX, RSVY, RSVZ, MGXX, MGYY, MGZZ, PERX, PERY, PERZ, 加上 BH, ANEL, 和 PIEZ 数据表（见ANSYS帮助中的数据表—隐式分析）。

面载荷

压力

面1 (J-I-L-K)， 面2 (I-J-N-M)

面3 (J-K-O-N)， 面4 (K-L-P-O)

面5 (L-I-M-P)， 面6 (M-N-O-P)

对流

面1 (J-I-L-K)， 面2 (I-J-N-M)

面3 (J-K-O-N)， 面4 (K-L-P-O)

面5 (L-I-M-P)， 面6 (M-N-O-P)

热流密度

面1 (J-I-L-K)， 面2 (I-J-N-M)

面3 (J-K-O-N)， 面4 (K-L-P-O)

面5 (L-I-M-P)， 面6 (M-N-O-P)

麦克斯韦面标记

面1 (J-I-L-K)， 面2 (I-J-N-M)

面3 (J-K-O-N)， 面4 (K-L-P-O)

面5 (L-I-M-P)， 面6 (M-N-O-P)

体载荷

温度： T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N), T(O), T(P)

生热率： HG (I), HG (J), HG (K), HG (L), HG (M), HG (N), HG (O), HG (P)

磁虚位移： VD (I), VD (J), VD (K), VD (L), VD (M), VD (N), VD (O), VD (P)

特殊特性

对于耦合场需要进行迭代计算(位移、温度、电、磁，但不包括压电)；应力刚度；生死单元；自适应下降。

KEYOPT(1) 用于自由度选取（见上面所述）

KEYOPT(3) 0---包括额外的形状

1---不包括额外的形状

KEYOPT(5) 0---基本单元输出

2---节点应力或磁场输出

输出数据

与单元有关的结果输出有两种形式：

1 包括在整个节点解中的节点自由度。

2 附加的单元输出，见表SOLID5单元输出定义。

在图中显示了几个输出项。单元应力方向和单元坐标系统平行。节点的支反力，热流密度，电流和磁通量可以用OUTPR命令打印出来。在结果输出中给出了对于结果输出的一般说明。查看的方法见ANSYS基本分析指南。

图2 SOLID5单元输出

单元输出定义表使用如下标记：

在名称列表中的冒号表示该项可以用分量名方法ETABLE，ESOL处理；0列表示该项可用于Jobname.OUT文件；R列表示该项可用于结果文件。无论0或R列，Y表示该项总是可用的，一个数字表示表的一个注解，其中说明了使用该项的条件；而减号“-”表示该项不可用。

表1 SOLID5单元输出定义

1 只输出质心处的单元解（以输入数据为基础）

2 只有KEYOPT(5)=2时才计算节点应力和磁场。只有输入面载荷的时候才在每个节点重复求解结果。

3只有在单元中心，作为 *GET 项时可用。

4当量应变使用有效泊松比：对于弹性和热分析，由用户输入 (MP,PRXY)。

表5.2 “SOLID5 输出项和序列号”列出了可以通过ETABLE命令，采用序列号方法输出的内容列表。在表“SOLID5 输出项和序列号”中使用如下标识符：

Name

与表5.1 “SOLID5单元输出定义”中相同定义的输出量；

Item

用于ETABLE命令的预先定义的输出项；

E

对于单值或常数型单元数据的序列号；

I,J,,,P

节点I,J,,,P处数据的序列号；

FCn

单元第N条边输出项的序列号。

表5.2 SOLDI5输出项和序列号（略）