3D表面效应单元学习总结

大上个周末，有幸帮marain老师做了一个ANSYS新老版本计算结果的验证，从中我学习到了表面效应单元surf156的用法，每次和marain老师交流都受益匪浅，在此先表示由衷感谢！当天我就准备总结一下表面效应单元的知识，后来由于很多事情，比如网站服务器宕机、在傲雪里争取积分……就一直耽误到今天，不过还好，经过我几个小时的奋战，画了三张B5纸的思维导图，相信可以捋顺一些逻辑，拿出来献丑了。

什么是表面效应单元

顾名思义，Surf系列单元，就是在现存的实体单元表面上，生成新的单元。将荷载施加在这些表面效应单元上，从而达到将荷载分摊给宿主单元的目的。

为什么需要表面效应单元

我可以在一个面上施加均布荷载，也可以选择在一个节点群上施加均布荷载，还可以直接将荷载施加到任意节点之上，为啥还需要表面效应单元的？的确，表面效应单元只是一个起到过渡的工具，但具备非常强大的功能。举个例子，如果要在某平面上施加任意方向的均布荷载，可以用SF系列命令，配合旋转节点坐标系，对节电群进行操作，这个时候表面效应单元显示不出优势。但是，如果需要施加荷载的面，是一个曲面呢？典型的，风对结构(尤其是建筑结构，曲面屋顶等)的作用，对荷载作用曲面上的节点统一旋转一样的角度，肯定是不对的。这时候就是表面效应单元大展宏图的时候了。其他的还有许多应用，取决于我们想要做什么样的分析罢了。

结构分析中都有那些表面效应单元

常用的，除了王教授《ANSYS工程结构数值分析》第14页中介绍的2D表面效应单元Surf153和3D表面效应单元Surf154之外，还有一个Surf156。

其中，153可在平面单元表面(即面的边界线)上生成效应单元；154可在三维实体单元表面(即体的边界面)生成效应单元；165可在三维实体边界线上生成效应单元。

Surf单元创建方法

主要有两种，最常用的，选择要生成效应单元的面或者线，赋予表面效应单元相关的属性，然后mesh即可；另一种，则类似于生成接触单元的，用esurf命令，以1554单元为例，在三维实体的自由外表面生成新的效应单元。

如何对生成的效应单元施加荷载

使用的命令如下：

SFE, ELEM, LKEY, Lab, KVAL, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4

根据不同的单元，会有不同的表达方式。尤其要注意的，是施加到效应单元的荷载方向，是由“面号”(即帮助文档中的Face NO.)确定的。面号输入在LKEY中，用GUI的同学应该很好理解，因为那一项的旁边写着"Load Key, usually face no. " 下面对154和156单元分别说明。

Surf154单元荷载方向

Keyopt(2)=0时：face1，2，3的方向以单元坐标系为准

face=1(即LKEY=1，下同，不赘述)：法向压力，荷载数值为正，则方向为指向单元内部，即为单元坐标系的-z方向；face=2和face=3为单元坐标系的x和y轴方向，用于为实体表面施加切向荷载，建议用ESYS命令确认单元坐标系的方向。

Keyopt(2)=1时：face1，2，3以总体坐标系为准

face=1，face=2，face=3分别对应x，y，z轴方向

face=4：法向压力，且为渐变压力，数值=P1+P2x+P3y+P4z。其中P1-P4需要有SFE的VAL1~VAL4输入，x，y，z为坐标向量，P1为荷载，P2-P4为相应轴向的斜率。下面是一个例子，x方向上有压力渐变，y，z两个方向不考虑，那么命令设置为：(前提是已经选择了需要的单元，所以命令就用all了)。

face=5：施加任意方向荷载，P1为荷载大小，荷载方向用下式定义：

其中Pj=P2；Pk=P3；Pl=P4 ，代表荷载矢量的方向余弦，对数值无影响，也就是说可用i,j,k单位向量直接代替。

另外，若设置Keyopt(11)=0，可只在单元突出部分的表面生成效应单元；keyopt(11)=2则对整个曲面施加相同的压力--这个适合用来模拟风荷载的作用。

关于Surf154的使用方法，建议参考徐瑞做的例子，他的新浪博客打开太慢了，还是去鲁班人的这个转载页面吧。

Surf156的用法

156和154相似的地方，就不赘述了，下面只探讨一下不同点。

首先，是156单元是一个线单元，所以施加在其上的荷载，单位就是力/长度。而且，凡是两点连一线的单元，都有个方向的问题，即“起始点I”与“终止点J”，这也是需要注意的。

Keyopt(2)=0：荷载方向以单元坐标系为准。

face=1，2，3，对应单元坐标系的x，y，z轴方向。如果开启大变形nlgeom,on，荷载方向会随着节点位置的变化而变化，如果I节点所附属的单元发生移动，则该节点跟随移动。如果节点不属于其他节点，则不发生移动。

Keyopt(2)=1：荷载方向以局部坐标系为准

face=1，2，3对应着局部坐标系的x，y，z轴。不过，预先要事先设置好局部坐标系。

face=4：与surf154单元类似，大小是P1，方向的公式与154的那个相同，也是由在总体坐标系下的单位向量和方向余弦构成。

face=5：大小是P1，方向是从I到J；

face=6：大小是P1，方向是从J到I

最后，还有一个问题需要注意的，如果Keyopt(7)=0，也就是默认值，会发生一个情况：输入荷载的单位是力/长度，是一个荷载集度，当“线”的长短发生变化的时候，施加到实体上的力也就发生了变化。如果不希望总的力值不随作用线长短发生变化，则需要设置Keyopt(7)=1即可。