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Solid5單元說(shuō)明 Solid5 具有三維磁場(chǎng)，熱場(chǎng)，電場(chǎng)，壓電場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析能力，并能在各場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)有限的耦合。本單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè)自由度。在靜態(tài)分析中為了建立靜磁場(chǎng)模型我們可以較容易得到標(biāo)量電壓公式（包括簡(jiǎn)化
Solid5單元說(shuō)明

Solid5 具有三維磁場(chǎng)，熱場(chǎng)，電場(chǎng)，壓電場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析能力，并能在各場(chǎng)之間實(shí)現(xiàn)有限的耦合。本單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有6個(gè)自由度。在靜態(tài)分析中為了建立靜磁場(chǎng)模型我們可以較容易得到標(biāo)量電壓公式（包括簡(jiǎn)化RSP，微分DSP，CAE，有限元分析，或者綜合GSP）。關(guān)于這個(gè)單元參看ANSYS理論手冊(cè)14.5節(jié)。具有相似場(chǎng)性能的耦合場(chǎng)單元有PLANE13，SOLID62，SOLID98。

圖1 SOLID5 三維耦合場(chǎng)體單元

輸入數(shù)據(jù)

在圖1中給出了這個(gè)單元幾何形狀，節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系統(tǒng)。這個(gè)單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)和材料屬性。單位（MKS或者用戶自己定義）通過(guò)EMUNIT命令來(lái)指定。EMUNIT也用來(lái)定義MUZERO的值。EMUNIT缺省值就是國(guó)際單位制而MUZERO=4π×10-7 亨/米。除MUZERO之外，CAE，有限元分析，通過(guò)材料特性表中的MURX，MURY，MURZ來(lái)定義正交各向異性的相對(duì)導(dǎo)磁率。

MGXX，MGYY，MGZZ代表永磁材料矯頑力的矢量分量。矯頑力的大小是其各個(gè)分量的平方和的平方根。極化方向由分量MGXX，MGYY，MGZZ確定。永久磁極的極化方向以及正交各向異性材料的方向和單元坐標(biāo)方向一致。單元坐標(biāo)系統(tǒng)的定位參見(jiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)。非線性磁特性，壓電特性和各向異性彈性特性用TB命令輸入，參見(jiàn)數(shù)據(jù)表--------隱含分析。非線性正交各向異性磁特性可以通過(guò)B-H曲線和線性相關(guān)導(dǎo)磁率的結(jié)合來(lái)確定。這個(gè)B-H曲線用在各單元坐標(biāo)方向上，相對(duì)導(dǎo)磁率將被指定為零。每種材料只能設(shè)置一個(gè)B-H曲線。

本單元可以組合使用不同的節(jié)點(diǎn)載荷（取決于KEYOPT（1）的值）。節(jié)點(diǎn)載荷用D和F命令定義。對(duì)D命令，Lab變量為自由度（UX，UY，UZ，TEMP，VOLT，MAG），VALUE為相應(yīng)的數(shù)值（位移，溫度，電壓，梯狀磁勢(shì)能）。對(duì)F命令，Lab變量為力（F_HEAT，AMPS，F(xiàn)LUX），VALUE為相應(yīng)的數(shù)值（力，熱流量，電流或電荷，磁通量）。

單元載荷在 節(jié)點(diǎn)和單元載荷 中說(shuō)明。表面載荷，壓力，對(duì)流熱，熱流量和麥克斯韋力標(biāo)記可以在單元邊界面上通過(guò)SF和SFE命令輸入，如圖SOLID5單元幾何中帶圓圈數(shù)字所示。正壓力指向單元內(nèi)部。需要計(jì)算磁力的表面，可以在該面上使用無(wú)數(shù)值參數(shù)的面載荷命令MXWF做標(biāo)記。為了得到磁力我們可計(jì)算這些面上的麥克斯韋爾應(yīng)力張量。這些力在求解時(shí)可作為載荷施加到結(jié)構(gòu)上。表面標(biāo)記應(yīng)該施加到需計(jì)算力的體相鄰的空氣單元上。刪除指定的MXWF就能夠取消標(biāo)記了。

體載荷，溫度，發(fā)熱率和磁虛位移可以輸入其在單元結(jié)點(diǎn)處的值或單一的單元值BF和BFE。當(dāng)溫度自由度被激活時(shí)（KEYOPT（1）=0，1或8）就可以忽略上面提到的應(yīng)用在體上的溫度值（BF，BFE）。一般情況下，未指定的節(jié)點(diǎn)溫度和生熱率都默認(rèn)為由命令BFUNIF或TUNIF指定的值。計(jì)算出來(lái)的焦耳熱值可以作為發(fā)熱率應(yīng)用在后面的迭代中。

如果存在溫度自由度，計(jì)算得到的溫度將替換任何輸入的節(jié)點(diǎn)溫度。

對(duì)于需要計(jì)算局部雅克比力的空氣單元，可以通過(guò)使用BF命令中MVDI標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)值取0或1來(lái)確定。詳見(jiàn)ANSYS電磁場(chǎng)分析指南。求解時(shí)這些力不施加到結(jié)構(gòu)上。

梯狀磁勢(shì)能電流選向可以由SOURC36單元的宏命令RACE來(lái)定義，或者通過(guò)電磁耦合來(lái)定義。不同類型梯狀磁勢(shì)能求解選向可以由MAGOPT命令來(lái)定義。

SOLID5輸入?yún)R總

單元名稱

SOLID5

節(jié)點(diǎn)：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

實(shí)參數(shù)：無(wú)

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 數(shù)據(jù)表（見(jiàn)ANSYS幫助中的數(shù)據(jù)表—隱式分析）。

面載荷

壓力

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)

對(duì)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)

熱流密度

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)

麥克斯韋面標(biāo)記

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)

體載荷

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

生熱率： HG (I), HG (J), HG (K), HG (L), HG (M), HG (N), HG (O), HG (P)

磁虛位移： VD (I), VD (J), VD (K), VD (L), VD (M), VD (N), VD (O), VD (P)

特殊特性

對(duì)于耦合場(chǎng)需要進(jìn)行迭代計(jì)算(位移、溫度、電、磁，但不包括壓電)；應(yīng)力剛度；生死單元；自適應(yīng)下降。

KEYOPT(1) 用于自由度選取（見(jiàn)上面所述）

KEYOPT(3) 0---包括額外的形狀

1---不包括額外的形狀

KEYOPT(5) 0---基本單元輸出

2---節(jié)點(diǎn)應(yīng)力或磁場(chǎng)輸出

輸出數(shù)據(jù)

與單元有關(guān)的結(jié)果輸出有兩種形式：

1 包括在整個(gè)節(jié)點(diǎn)解中的節(jié)點(diǎn)自由度。

2 附加的單元輸出，見(jiàn)表SOLID5單元輸出定義。

在圖中顯示了幾個(gè)輸出項(xiàng)。單元應(yīng)力方向和單元坐標(biāo)系統(tǒng)平行。節(jié)點(diǎn)的支反力，熱流密度，電流和磁通量可以用OUTPR命令打印出來(lái)。在結(jié)果輸出中給出了對(duì)于結(jié)果輸出的一般說(shuō)明。查看的方法見(jiàn)ANSYS基本分析指南。

圖2 SOLID5單元輸出

單元輸出定義表使用如下標(biāo)記：

在名稱列表中的冒號(hào)表示該項(xiàng)可以用分量名方法ETABLE，ESOL處理；0列表示該項(xiàng)可用于Jobname.OUT文件；R列表示該項(xiàng)可用于結(jié)果文件。無(wú)論0或R列，Y表示該項(xiàng)總是可用的，一個(gè)數(shù)字表示表的一個(gè)注解，其中說(shuō)明了使用該項(xiàng)的條件；而減號(hào)“-”表示該項(xiàng)不可用。

表1 SOLID5單元輸出定義

名稱

定 義

O

R

EL

單元號(hào)

Y

Y

NODES

節(jié)點(diǎn)- I, J, K, L, M, N, O, P

Y

Y

MAT

材料號(hào)

Y

Y

VOLU：

體積

Y

Y

XC, YC，ZC

結(jié)果輸出點(diǎn)位置

Y

3

PRES

P1 在節(jié)點(diǎn) J, I，L，K; P2 在 I，J，N，M; P3 在 J，K，O，N; P4 在 K, L，P，O; P5在L，I，M，P; P6在M，N，O，P

Y

Y

TEMP

輸入溫度 T(I), T(J), T(K), T(L)，T(M), T(N), T(O), T(P)

Y

Y

HGEN

輸入的生熱率 HG(I), HG(J), HG(K), HG(L)， HG(M), HG(N), HG(O), HG(P)

Y

Y

S:INT

應(yīng)力強(qiáng)度

1

1

S:EQV

當(dāng)量應(yīng)力

1

1

EPEL:X, Y, Z, XY，YZ，XZ

彈性應(yīng)變

1

1

EPEL:1, 2, 3

彈性主應(yīng)變

1

1

S:X, Y, Z, XY，YZ，XZ

應(yīng)力分量

1

1

S:1, 2, 3

主應(yīng)力

1

1

LOC

輸出位置 (X, Y，Z)

1

-

MUX, MUY，MUZ

導(dǎo)磁率

1

1

H:X, Y，Z

磁場(chǎng)強(qiáng)度分量

1

1

H:SUM

H 矢量的大小

1

1

B:X, Y，Z

磁流密度分量

1

1

B:SUM

B矢量的大小

1

1

FJB

Lorentz 磁力分量(X，Y，Z)

1

--

FMX

Maxwell 磁力分量(X，Y，Z)

1

--

FVW

虛功力分量(X，Y，Z)

1

1

FMAG:X, Y，Z

組合 (FJB 和 FMX) 力分量

--

1

EF:X, Y，Z

電場(chǎng)分量 (X, Y，Z)

1

1

EF:SUM

EF 矢量的大小

1

1

JS:X，Y，Z

源電流密度分量

1

1

JSSUM

JS矢量的大小

1

1

JHEAT

每單位體積產(chǎn)生的焦?fàn)枱?/p>

1

1

D:X，Y，Z

電流密度分量(X，Y，Z)

1

1

D:SUM

D矢量的大小

1

1

UE，UD，UM

電 (UE), 電介質(zhì) (UD) 和機(jī)電耦合 (UM)

1

1

TG:X，Y，Z

熱梯度分量

1

1

TG:SUM

TG矢量的大小

1

1

TF:X，Y，Z

熱流率分量

1

1

TF:SUM

TF矢量的大小（熱流率/單位截面積）

1

1

FACE

面標(biāo)記

2

2

AREA

側(cè)面面積

2

2

NODES

側(cè)面節(jié)點(diǎn)號(hào)

2

-

HFILM

側(cè)面各節(jié)點(diǎn)處的膜系數(shù)

2

-

TBULK

側(cè)面各節(jié)點(diǎn)處的介質(zhì)溫度

2

-

TAVG

側(cè)面的平均溫度

2

2

HEAT RATE

由對(duì)流換熱引起的邊界的熱流率

2

2

HEAT RATE/AREA

由對(duì)流熱引起的每單位面積的熱流率

2

-

HFLUX

側(cè)面各節(jié)點(diǎn)處的熱流密度

2

-

HFAVG

側(cè)面的平均膜系數(shù)

2

2

TBAVG

側(cè)面的平均介質(zhì)溫度

-

2

HFLXAVG

由輸入熱流引起的邊界每單位面積的熱流率

-

2

1 只輸出質(zhì)心處的單元解（以輸入數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)）

2 只有KEYOPT(5)=2時(shí)才計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和磁場(chǎng)。只有輸入面載荷的時(shí)候才在每個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)求解結(jié)果。

3只有在單元中心，作為 *GET 項(xiàng)時(shí)可用。

4當(dāng)量應(yīng)變使用有效泊松比：對(duì)于彈性和熱分析，由用戶輸入 (MP,PRXY)。

表5.2 “SOLID5 輸出項(xiàng)和序列號(hào)”列出了可以通過(guò)ETABLE命令，采用序列號(hào)方法輸出的內(nèi)容列表。在表“SOLID5 輸出項(xiàng)和序列號(hào)”中使用如下標(biāo)識(shí)符：

Name

與表5.1 “SOLID5單元輸出定義”中相同定義的輸出量；

Item

用于ETABLE命令的預(yù)先定義的輸出項(xiàng)；

E

對(duì)于單值或常數(shù)型單元數(shù)據(jù)的序列號(hào)；

I,J,,,P

節(jié)點(diǎn)I,J,,,P處數(shù)據(jù)的序列號(hào)；

FCn

單元第N條邊輸出項(xiàng)的序列號(hào)。

表5.2 SOLDI5輸出項(xiàng)和序列號(hào)