如何正确使用 Combin14 单元的一些探讨

Fire-Fruit

关于 combin14 的使用问题，为此做了一些探讨，现将探讨结果于大家分享，希望能有所启发。

如何正确使用 Combin14 单元的一些探讨

由于不少网友的帖子提到如何正确使用 Combin14 单元的问题，下面通过一些算例的比较，对该问题做了一些探讨。希望起到抛砖引玉的作用。

例 1

45º 直线，长度 100，划分两个 beam3 单元，

两端 (下端为节点 3，上端为节点 4) 用 combin14 连接到重合节点 (下端为节点 1，上端为节点 2)，

节点 1 – 3： x，y 方向两个 Combin14 单元；

节点 2 – 4： 仅 x 方向的 Combin14 单元

对非梁节点 (节点 1，2) 约束三个位移自由度以消除刚体运动。

梁截面 A = 1, I = 1, H = 1

Combin14 单元 K = 1

梁中间节点 (节点 6) 受垂直于直线的横向力 1.0×sqrt(2)
(x 和 y两个方向各 1.0)

各节点坐标如下：

NODE
X

Y


Z

1
0.0000


0.0000
0.0000

2
100.00


100.00
0.0000

3
0.0000

0.0000
0.0000

4
100.00
100.00
0.0000

5
25.000
25.000
0.0000

6
50.000
50.000
0.0000

7
75.000
75.000
0.0000

计算结果：

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000

0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.51548E-12 -1.0000
0.0000
1.0000

4
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

5
0.44291
-1.4431
0.0000

1.5095

6
0.78060
-1.7809
0.0000
1.9445

7
0.94291
-1.9434
0.0000
2.1601

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
4
4
0
4

VALUE
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1 -0.51548E-12
1.0000
0.0000

2
-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5
0.51548E-12
= (UX1-UX3)*1 ≈ 0

6
1.0000



= (UY1-UY3)*1

7
-1.0000
= (UX2-UX4)*1

可以看到，合反力与所加的载荷相同。单元 5 (连接节点 1、3 的 x 方向弹簧) 的内力为零，即该弹簧单元基本不起作用。

例 2

结构同上，但改用两个 combin14 单元，即三个 combin14 单元中任意去掉一个，结果如下：

(1) 删除单元 5 ： 连接节点 1、3 的 x 方向弹簧

位移结果

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.88890
-1.0000
0.0000
1.3380

4
1.0000
-1.1118
0.0000
1.4953

5
1.1096
-1.2209
0.0000
1.6497

6
1.2250
-1.3365
0.0000
1.8130

7
1.1651
-1.2767
0.0000
1.7285

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
6
6
0

6

VALUE
1.2250
-1.3365
0.0000
1.8130

反力结果

NODE
FX
FY
FZ

1
0.0000
1.0000
0.0000

2
-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

6
1.0000

= (UY1-UY3)*1

7
-1.0000
= (UX2-UX4)*1

(2) 删除单元 6 ： 连接节点 2、4 的 x 方向弹簧

(3) 删除单元 7 ： 连接节点 1、3 的 y 方向弹簧

都不能求解。原因是约束不足。

例 3

结构同上，但改用两个 combin14 单元，单元方向的定义改用 KEYOPT(2) = 0，然后用 KEYOPT(3) 定义为 2D 单元。结果也不能求解。原因是单元长度为零报错。

可见，对于 KEYOPT(2) = 0 的情况，combin14 单元的节点不能重合。

例 4

同例 3，但将节点 1 和 2 从节点 3 和 4 重合的位置沿 x，y 各移开 1。

不再出现单元长度为零的错误，但不能求解，原因是约束不足。

例 5

在例 4 的基础上增加约束节点 6
的 ROTz，仍然约束不足。

原因是只有沿同一直线方向的两个弹簧，不能约束转动和沿该直线横向的位移。

例 6

在例 4 的基础上增加两个约束：节点 3 的 Uy 和 ROTz，可以求解。

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
1.0003
0.0000
0.0000
1.0003

4
2.4030
-1.4033
0.0000
2.7827

5
1.1756
-0.17546
0.0000
1.1886

6
1.5614
-0.56136
0.0000
1.6592

7
1.9822
-0.98235
0.0000
2.2122

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE

4
4
0
4

VALUE
2.4030
-1.4033
0.0000
2.7827

反力结果如下：

NODE
FX
FY
FZ
MZ

1 -0.50017
-0.50017
0.0000

2 -0.49983
-0.49983
0.0000

3



2.0000


100.00

TOTAL VALUES

VALUE

-1.0000
1.0000


0.0000


100.00

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5

0.70711
= ((UX3-UX1)*cos(45) + (UY3-UY1)*sin(45))*1

6

-0.70711
= ((UX2-UX4)*cos(45) + (UY2-UY4)*sin(45))*1

注意：由于约束节点 3，所以反力中出现了外力相对节点的弯矩 100.0。

这说明，combin14 单元只具有沿其轴向 (节点 I 到 J 的方向) 的刚度

例 7

在例 4 的基础上增加两个约束：节点 6 的 Uy 和 ROTz，可以求解。

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
1.0002
-0.16836E-03
0.0000
1.0002

4
1.0002
-0.16836E-03
0.0000
1.0002

5
1.0003
-0.84179E-04
0.0000
1.0003

6
1.0003
0.0000
0.0000
1.0003

7
1.0003
-0.84179E-04
0.0000
1.0003

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
6
3
0
6

VALUE
1.0003
-0.16836E-03
0.0000
1.0003

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ
MZ

1 -0.50000
-0.50000
0.0000

2 -0.50000
-0.50000
0.0000

6
2.0000



0.15827E-10

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000

1.0000
0.0000


-0.15827E-10

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5

0.70734
= ((UX3-UX1)*cos(45) + (UY3-UY1)*sin(45))*1

6

-0.70687
= ((UX2-UX4)*cos(45) + (UY2-UY4)*sin(45))*1

注意：由于改为约束节点 6，所以反力中外力相对节点的合弯矩基本是零。

同样，combin14 单元只具有沿其轴向 (节点 I 到 J 的方向) 的刚度

例 8

同例 3，但将节点 1 和 2 从节点 3 和 4 重合的位置沿 x，y 分别移开 1 (节点 1 沿 x 方向，节点 2 沿 y 方向)，可以求解。

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
1.0000
-0.53239
0.0000
1.1329

4
1.4683
-1.0000
0.0000
1.7765

5
1.3100
-0.84220
0.0000
1.5574

6
1.5147
-1.0468
0.0000
1.8413

7
1.5441
-1.0760
0.0000
1.8820

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
7
7
0
7

VALUE
1.5441
-1.0760
0.0000
1.8820

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1
-1.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
1.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5


1.0000

= (UX3-UX1)*1

6


-1.0000


= (UY2-UY4)*1

例 9

同例 3，但将节点 1 和 2 从节点 3 和 4 重合的位置沿 y，x 分别移开 1 (节点 1 沿 y 方向，节点 2 沿 x 方向)，可以求解。

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.88890
-1.0000
0.0000
1.3380

4
1.0000
-1.1118
0.0000
1.4953

5
1.1096
-1.2209
0.0000
1.6497

6
1.2250
-1.3365
0.0000
1.8130

7
1.1651
-1.2767
0.0000
1.7285

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
6
6
0
6

VALUE
1.2250
-1.3365
0.0000
1.8130

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1

0.0000
1.0000
0.0000

2

-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5

1.0000

= (UY1-UY3)*1

6


-1.0000


= (UX2-UX4)*1

经验算，上述各例的合反力与所施加的外载荷的合力是一致的。弹簧内力也与相关节点的相对位移与弹簧刚度之积一致。

下面再看看，如果 KEYOPT(2)>0，但节点不重合的情况。

例 10

基本同例 1，但将节点 1 和 2 沿 45º 方向移动，x、y 方向各移动 1 (节点 1 移动 -1，节点 2 移动 1)。

位移结果：

NODE
UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.51548E-12 -1.0000
0.0000
1.0000

4
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

5
0.44291
-1.4431
0.0000
1.5095

6
0.78060
-1.7809
0.0000
1.9445

7
0.94291
-1.9434
0.0000
2.1601

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
4
4
0

4

VALUE
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1 -0.51548E-12
1.0000
0.0000

2
-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000

0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5
0.51548E-12
= (UX1-UX3)*1 ≈ 0

6
1.0000



= (UY1-UY3)*1

7
-1.0000
= (UX2-UX4)*1

注意：所有结果与例 1 完全相同。

例 11

基本同例 1，但将节点 1 沿 x 方向移动 -1，节点 2 沿 y 方向移动 1。

位移结果：

NODE
UX

UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.51548E-12 -1.0000
0.0000
1.0000

4
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

5
0.44291
-1.4431
0.0000
1.5095

6
0.78060
-1.7809
0.0000
1.9445

7
0.94291
-1.9434
0.0000
2.1601

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
4
4

0
4

VALUE
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1 -0.51548E-12
1.0000
0.0000

2
-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000

1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5
0.51548E-12
= (UX1-UX3)*1 ≈ 0

6
1.0000



= (UY1-UY3)*1

7
-1.0000
= (UX2-UX4)*1

同样所有结果与例 1 完全相同。

例 12

基本同例 1，但将节点 1 沿 y 方向移动 -1，节点 2 沿 x 方向移动 1。

位移结果：

NODE

UX
UY
UZ
USUM

1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

3
0.51548E-12 -1.0000
0.0000
1.0000

4
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

5
0.44291
-1.4431
0.0000
1.5095

6
0.78060
-1.7809
0.0000
1.9445

7
0.94291
-1.9434
0.0000
2.1601

MAXIMUM ABSOLUTE VALUES

NODE
4

4
0
4

VALUE
1.0000
-2.0007
0.0000
2.2367

反力结果：

NODE
FX
FY
FZ

1 -0.51548E-12
1.0000
0.0000

2
-1.0000
0.0000
0.0000

TOTAL VALUES

VALUE
-1.0000
1.0000
0.0000

弹簧单元内力：

ELEM
SMIS1

5
0.51548E-12
= (UX1-UX3)*1 ≈ 0

6
1.0000



= (UY1-UY3)*1

7
-1.0000
= (UX2-UX4)*1

同样所有结果与例 1 完全相同。

根据以上算例，是否可以得出以下结论：

1 combin14 单元本质上是个线单元，可以用于 1D、2D 和 3D 问题的求解。至于它的作用方向，则由 KEYOPT(2) 和/或 KEYOPT(3) 确定。

2 当 KEYOPT(2) > 0 时，combin14 单元的两个节点最好重合，单元方向由 KEYOPT(2) 的值确定。如果两个节点不重合，弹簧的作用方向仍由 KEYOPT(2) 的值确定，与两个节点的连线方向无关，且计算时会发出警告 (我是 9.0 版，低版本可能不允许节点不重合)。

3 当 KEYOPT(2) ＝ 0 时，combin14 单元的两个节点不允许重合，否则将报错。此时单元的作用方向由两个节点的连线方向确定；而具体是 2D 还是 3D 问题由 KEYOPT(3) 确定。

上述算例虽然是针对 2D 情况和平移自由度的，但应该可以推广到 3D 和转动自由度的情况。

Fire-Fruit

版主，我发了才刚看见论坛还有这样一个帖子，好像重复了，不好意思哈，呵呵

Wong10

好东西！ 支持发这样的帖！

80后的无奈

小弟不才，有图会更好的

蜘蛛侠2

如果有图，麻烦您上传一下吧！呵呵！

eligiant

是有个一样的帖子，不过你这个看起来方便些~支持一下

活在当下bj

对于一个combin14的弹簧单元来说，如果我要设置UX UY UZ三个方向的自由度，是需要在I  J节点建立三个弹簧单元还是直接建立一个3D的轴向自由度的单元？

lpop

http://forum.simwe.com/forum.php ... ;highlight=combin14原帖在这里。