SOLID46
3-D 8结点分层结构实体单元 MP ME ST <> <> PR <> <> <> PP <>
SOLID46 单元描述
SOLID46是8结点结构实体单元(SOLID45)的可分层版本，可用来模拟分层厚壳或分层实体，允许多达250个材料层。若需超过250层，可通过用户自定义结构矩阵，或者可将几层单元叠起来。每个结点有3个自由度：xyz的平动自由度。更详细的信息参见《ANSYS理论参考》。一种类似的壳单元是SHELL99。
图46.1 SOLID46几何描述
X0=若未采用ESYS时的单元X轴 X=采用ESYS时的X轴
SOLID46输入数据
该单元的几何形状、结点位置、坐标系如图46.1“SOLID46几何描述所示”。需定义8个结点、多层厚度、多层材料方向角、正交各向异性材性。剪切模量GXZ和GYZ必须不超过彼此的10000倍。
该单元的Z轴定义为垂直于一个参考平面，采用实常数KREF，如图46.2“SOLID46应力输出”所示。KREF可为0(中面)、1(底面)、2(顶面)。若结点关
系显示是一个扭曲面，则采用一个平均平面。默认的单元x轴是I-J边、M-N边、或它们的平均值（基于KREF）在参考平面上的投影。可以用ESYS改变分层面的方向，就像它在“坐标系”一节中讲述的改变壳单元方向的方法一样。你可以用EORIENT改变单元方向（比如在自由分网之后）.通过EORIENT，你可以使SOLID46单元方向符合你的需要，或设置其方向平行于任一坐标轴。
输入数据可以为矩阵形式或者为分层形式，这取决于KEYOPT(2)。对矩阵形式，该矩阵必须在ANSYS外先计算好。应变对厚度的二次变分（KEYOPT(2)=3）定义矩阵的力－应变和弯矩－曲率关系可参照8结点线性分层壳(SHELL99)的\"SHELL99 输入数据\"描述的方法。注意本单元没有中结点。热应变、大多数应力和破坏准则不能用矩阵形式输入。
对分层输入（非矩阵形式），计算各层厚度时，缩放实常数厚度，使其和结点间的厚度一致。结点位置可能会显示各层是翘曲或扭曲的。然而，各层的局部坐标系会有效地重定位，使其平行于参考平面，如图46.2“SOLID46应力输出”所示。层数(LN)为1到250。在这个局部右手坐标系中，X轴可从单元的X轴到单元的Y轴旋转一个角度THETA(LN)（单位是度）。
各层的材性在单元面内可为正交各向异性。实常数MAT用来定义各层材料号而不是用MAT命令。若未明确输入，MAT默认为1。材料的X方向对应于局部层的x方向。
分别用TREF和BETAD来施加整体参考温度和阻尼。或者，用MAT命令指定基于单元的参考温度(MP,REFT)或阻尼(MP,DAMP)；这时忽略各层材料号。 必须用实常数NL指定总层数，如SHELL99中\"SHELL99 输入数据\"描述的那样。实常数、材性、各层厚度、破坏准则等都可参考SHELL99中\"SHELL99 输入数据\"。
在输入数据表[TB]时选择破坏准则，参考表 2.2: \"正交各向异性材料破坏准则\"。有预定义的三个破坏准则供使用，还可通过用户子程序定义多达六个用户自定义破坏准则。有关这三个破坏准则，参见ANSYS, 理论参考中的破坏准则部分。有关用户子程序参见《ANSYS UPF指南》。破坏准则也可在POST1中计算（用FC命令）。所有有关破坏准则的单元输出数据的参考仅与TB命令有关。 单元荷载参考结点和单元荷载。压力可以作为表面荷载施加在单元表面上，如图46.1: \"SOLID46 几何描述\"中圈起来的数字所示。正压力指向单元。温度可作为单元体力施加在结点上。结点I的温度默认为TUNIF。若所有其他温度都未指定，则默认都等于T(I)。如果只输入T(I)和T(J)，则T(I),T(J), T(K), 和 T(L)默认等于T(I)，而T(M), T(N), T(O), 和 T(P)默认等于T(J)（输入的数值）。对于任何其他输入方式，未指定的温度默认都是TUNIF。
你可以使用命令“SOLCONTROL,,,INCP”在几何非线性分析中引入压力荷载刚度效应。在线性特征值屈曲分析中，已自动考虑压力荷载刚度效应。若在考虑压力荷载刚度效应时为非对称矩阵，可采用命令“NROPT,UNSYM”。
SOLID46的输入信息概要参见\"SOLID46 输入信息概要\"，一般性的描述参见“单元输入”部分。有关破坏准则的更多信息，参见ANSYS结构分析指南中的复合材料部分。
SOLID46输入信息概要
结点
I, J, K, L, M, N, O, P 自由度 UX, UY, UZ 实常数
实常数的变化基于KEYOPT(2)的设定。请参考:
表46.1: \"SOLID46 实常数 (KEYOPT(2) = 0 or 1)\"表46.2: \"SOLID46 实常数 (KEYOPT(2) = 3)\" 材性
若 KEYOPT(2) = 0 or 1, 定义如下 13*NM 个材性，其中： NM 是材料号 (最大值是 NL):
EX, EY, EZ, ALPX, ALPY, ALPZ (或 CTEX, CTEY, CTEZ or THSX, THSY, THSZ),
(PRXY, PRYZ, PRXZ, 或 NUXY, NUYZ, NUXZ), DENS, GXY, GYZ, GXZ, 对每一个 NM 材料 If KEYOPT(2) = 3, 不定义上述任一材性。
仅采用一次 DAMP 和 REFT (用MAT 来分配材性系列). 更详细的讨论参见 \"SOLID46 输入数据\"。
表面荷载
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) 体力
温度 --
T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N), T(O), T(P) 若 KEYOPT(2) = 0 or 1, or 不需要输入，若KEYOPT(2) = 3 特殊性质
应力刚化
大变形 KEYOPT(1) 额外位移形状:
0 --
包括额外位移形状
1 --
禁用额外位移形状 KEYOPT(2) 输入形式:
0 --
等厚度层 (最多250层)
1 --
锥形层 (最多125层)
3 --
矩阵输入 (参考 \"SHELL99 输入数据\") KEYOPT(3) 额外单元输出:
0 -- 基本单元输出
1 --
在单元底面和顶面输出积分点应变
2 --
在单元坐标系输出结点力
4 --
综合上述两个选项 KEYOPT(4) 单元坐标系:
0 --
不采用用户子程序来定义单元坐标系
4 --
单元x轴由用户子程序USERAN定义
5 --
单元x轴由用户子程序USERAN定义，各层x轴由用户子程序USANLY定义。
注意
有关用户子程序参考 《ANSYS UPF指南》 KEYOPT(5)
确定KEYOPT(6)是否使用应变或应力结果：
0 -- 用应变结果
1 -- 用应力结果
2 --
用应变和应力的结果 KEYOPT(6) 输出控制:
0 --
基本单元输出，和所有破坏准则的最大值的概要
1 --
和0相同，同时输出所有破坏准则的概要、平均横向剪切应变、最大层间剪切应力的最大值
2 --
和1相同，同时输出底层（或LP1）和顶层（或LP2）的积分点的结果
3 --
和1相同，同时输出所有层在单元质心处的结果
4 --
和1相同，同时输出所有层在四角的结果
5 --
Same as 1, and also print the layer solution with the failure criterion values at the integration points for all layers 和1相同，同时输出所有层积分点处的结果和破坏准则值。
注意
矩阵输入时，温度应变、大多数应力、和破坏准则不可用。 KEYOPT(8) 储存各层数据:
0 --
储存底层（或LP1）底面、顶层（或LP2）顶面、和最大破坏准则层的数据。
1 --
储存所有层的数据。
小心！
数据量可能会过多。. KEYOPT(9)
确定那儿需要求应变、应力和破坏准则（仅当KEYOPT(2) = 0 或 1 ，且 NL > 1时可用）：
0 --
在每层的顶面和底面求应变和应力。
1 --
在每层的中面求值。 KEYOPT(10)
确定是否输出材性矩阵:
0 --
不输出材性矩阵。
1 --
若为SOLID46单元，对第一个单元，沿厚度输出完整的材性矩阵。 有关实常数和其他输入数据的更多信息，参见SHELL91 。有关破坏准则的更多信息，参见破坏准则部分。
表 46.1 SOLID46实常数(KEYOPT(2) = 0 or 1)
序号 名称 描述 KEYOPT(2) = 0或1时的基本参数 1 2 3 4 5, 6 7 8, ..., 12 NL LSYM LP1 LP2 (空) KREF (空) 层数 (最多250) 层的对称码 输出的第一层 输出的第二层 参考面位置 KEYOPT(2) = 0时, 增加这些: 13 14 MAT THETA 层1的材料号 层1的x轴转角
序号 15 16, (12+3*NL) ... TK 名称 层1的厚度 描述 MAT, 对每个指定层（直到NL层），重复MAT、THETA, TK, 等 THETA和TK KEYOPT(2) = 1时, 增加这些: 13 14 15 16 17 18 19, (12+6*NL) ... MAT THETA TK(I) TK(J) TK(K) TK(L) MAT, THETA, 等. 表 46.2 SOLID46 实常数(KEYOPT(2) = 3)
KEYOPT(2) = 3时, 用这些: 1, ..., 21 22, ..., 42 43, ..., 63 64, ..., 84 85, ..., 105 106, ..., 111 112, ..., 117 118, ..., 123 A(1), ..., A(21) B(1), ..., B(21) D(1), ..., D(21) E(1), ..., E(21) F(1), ..., F(21) MT(1), ..., MT(6) BT(1), ..., BT(6) QT(1), ..., QT(6) 子矩阵 A 子矩阵B 子矩阵D 子矩阵E 子矩阵F MT 矩阵 BT 矩阵 QT 矩阵 层1的材料号 层1的x轴转角 层1结点I处的层厚 层1结点J处的层厚 层1结点K处的层厚 层1结点L处的层厚 对每个指定层（直到NL层），重复MAT, TK(I), THETA, TK(I), TK(J), TK(K),和 TK(L)
124 125, 126, 127 128 AVDENS (空) KREF 单元的平均密度 基准面的因子 SOLID46输出数据
与单元有关的结果输出有两种形式：
• 包含在结点全部输出里的结点位移输出。 • 附件单元输出，参见表 46.3: \"SOLID46单元输出定义\"。
在图 46.2: \"SOLID46 应力输出\"中显示了几个输出项。
单元的应力方向相应于层的局部坐标方向。不同层可以有不同的输出选项。对于积分点输出，积分点1离结点I最近，2对应于J，3对应于K，4对应于L。仅在面内积分点处输出破坏准则（参见ANSYS理论参考）。若该单元的KEYOPT(3)=2或4，则在每个结点处也输出3个力和弯矩（在单元坐标系中）。KEYOPT(8)控制用LAYER 或 LAYERP26处理的后处理文件中数据输出的总量。有关输出的一般性描述参见结果输出部分。有关查看结果的方法参见ANSYS基础分析指南。
图46.2 SOLID46应力输出
单元输出定义表使用如下标记:
在名称列中的冒号 (：) 表示该项可以用分量名方法 [ETABLE, ESOL] 处理；O 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 O列或 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46.3 SOLID46 单元输出定义
名称 EL NODES VOLU: TTOP,
定义 单元号 结点 - I, J, K, L, M, N, O, P 体积 顶面和底面的平均温度 OY Y Y 1RYYY-
名称 TBOT XC, YC, ZC 单元质心 定义 OR
Y 11
PRES 压力 P1在结点 J, I, L, K; P2 在 I, J, N, M; P3 在 J, K, O, N; P4 在 K, L, P, O; P5 at L, I, M, P; P6 at M, N, O, P Y Y
TEMP INT POS XI, YI, ZI NUMBER 温度 T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N), T(O), T(P) 面内积分点数 Y 22Y----
单元的顶面 (TOP), 底面 (BOT), 中面 (MID) 积分点的整体X、Y、Z位置 21, 3 层号 MAT THETA 该层的材料号 31, 3 --
层的材料方向角 (THETA) AVE THICK ACC THICK AVE TEMP POS AVE 层的平均厚度 31, 3 --
累积平均厚度（从1层到该层的单元厚度） 层的平均温度 33--
层的顶面(TOP), 底面(BOT), 中面(MID) (参见 KEYOPT(9) 的控制选项) LOC 中心位置 (AVG) , 4 1-
NODE 角结点号r , 5 1-
名称 INT 积分点号 定义 O1, 6 R-
S:X, Y, Z, XY, YZ, XZ S:1, 2, 3 应力（在层的局部坐标系内） 1, 7 1
主应力 1, 7 1
S:INT 应力强度 1, 7 1
S:EQV 等效应力（在层的局部坐标系内） 1, 7 1
EPEL:X, Y, Z, XY, YZ, XZ EPEL:EQV EPTH:X, Y, Z, XY, YZ, XZ EPTH:EQV FC1, FC6, FCMAX FC ..., 弹性应变（在层的局部坐标系内）。若7Y
KEYOPT(2)=2或3则为总的弹性应变 等效弹性应变（在层的局部坐标系内）[12] 77YY
温度应变（在层的局部坐标系内）。若KEYOPT(2)=2或3则为总的温度应变 等效温度应变（在层的局部坐标系内）[12] 71, 8 Y-
每个积分点处的破坏准则值和最大值 破坏准则号（FC1 to FC6, FCMAX） 1, 9 1
VALUE 该准则的最大值(若数值超过9999.999, 9999.9991, 9 91
则不显示) LN EPELF(X, Y, Z, XY, YZ, XZ) 最大值发生位置的层号 引起单元内该准则发生最大值的弹性应变（在层11
1的局部坐标系内） , 9
名称 SF(X, Y, Z, XY, YZ, XZ) ILSXZ ILSYZ ILANG 定义 引起单元内该准则发生最大值的应力（在层的局O1, 9 - R1
部坐标系内） 层间SXZ剪应力 层间SYZ剪应力 111
- 剪应力向量角（从单元的x轴向单元的y轴量起，- 单位为度） ILSUM LN1, LN2 剪应力向量总和 - 111
定义最大层间剪应力(ILMAX)位置的层号 , 10 ILMAX 最大层间剪应力（发生在LN1和LN2间） , 10 11
1. 若KEYOPT(2)=0或1。
2. 积分点应变输出（仅当KEYOPT(3)=1或4时输出）
3. 层结果输出（仅当KEYOPT(2) = 0 或 1、且KEYOPT(6) > 1时输出） 4. 若 KEYOPT(6) = 3 5. 若 KEYOPT(6) = 4 6. 若 KEYOPT(6) = 2 若 5
7. 应变和应力输出由KEYOPT(5)控制 8. 仅当 KEYOPT(6) = 5时输出
9. 破坏准则计算概要（仅当KEYOPT(2) = 0 或 1）。若KEYOPT(6) = 0，
仅输出单元中所有破坏准则的最大值（FCMAX）。输出每个破坏准则和所有破坏准则中的最大值的弹性应变和（或）弹性应力（取决于KEYOPT(5)） 10.仅当KEYOPT(2) = 0或 1时输出；KEYOPT(6) ≠ 0；和重要的剪应力
11.仅可作为一个*GET项得到其质心处的结果
12.等效应变采用一个有效泊松比：对于弹性分析和热分析其值可以由用户设置（MP,PRXY） 13.若 KEYOPT(2) = 2 或 3
表 46.4 SOLID46 其他单元输出 描述 力 平均横向剪应力 沿边的正应力 输出项名称 FX, FY, FZ O 12R - - - 分力和总和 - 31. 若KEYOPT(3) = 2 或 4，在单元坐标系中，在每个结点处输出。 2. 若KEYOPT(6) ≠ 0时输出（根据节点力计算）
3. 在I-M, J-N,等边输出（根据节点力计算）。仅当KEYOPT(2) = 3 且 KEYOPT(6) ≠ 0时输出。 表 46.5: \"SOLID46 项目与序列号\" 列出了用序列号方法通过ETABLE命令可以得到的结果。更多信息可参见ANSYS基础分析指南中的通用后处理 (POST1)部分和本手册中的项目和序列号表 。表 46.5: \"SOLID46 项目与序列号\" 中采用如下标记:
名称
表46.3: \"SOLID46 单元输出定义\"中定义的输出量 项目
ETABLE命令的预定项目标识 E
单值或常量单元数据的序列号 I,J,...,P
结点 I,J,...,P处的序列号
表46.5 SOLID46项目与序列号
输出量名称 项目 ILSXZ SMISC ILSYZ SMISC ILSUM NMISC ILANG NMISC 输出量名称 项目 P1 SMISC L)+4 P2 SMISC L)+7 P3 SMISC P4 SMISC P5 S(2*N- - - (2*NL)+8 (2*NL)+11 - (2*NL)+12 (2*NL)+15 - (2*NL)+16 (2*NL)+19 - - - - (2*NL)+3 (2*N(2*N(2*NL)+6 - (2*NL)+5 - ETABLE 和 ESOL 命令输入 I J K L (2*i)+6 (2*NL)+8 (2*i)+5 (2*NL)+7 (2*i) (2*NL)+2 (2*i)-1 (2*NL)+1 ETABLE 和 ESOL 命令输入 i层底部 NL层顶部 MISC L)+20 P6 S-
输出量名称 项目 MISC
ETABLE 和 ESOL 命令输入 i层底部 NL层顶部 输出量名称 项目 P1 SMISC P2 SMISC P3 SMISC P4 SMISC P5 SMISC P6 SMISC 输出量名称 ETABLE 和 ESOL 命令输入 M N O P - - - - (2*NL)+10 - (2*NL)+9 (2*NL)+14 - - (2*NL)+13 (2*NL)+18 - - - (2*NL)+17 (2*NL)+22 (2*NL)+21 (2*NL)+23 - - (2*NL)+24 (2*NL)+25 (2*NL)+26 ETABLE 和 ESOL 命令输入 项目 E 1 FCMAX layers) VALUE (over all C NMISNMISC 2
输出量名称 项目 LN ETABLE 和 ESOL 命令输入 M N O P NMISC 3 ILMAX C LN1 C LN2 C FCMAX (at layer i) C VALUE (at layer i) C FC C VALUE C LN C EPELFX C EPELFY C EPELFZ C
NMIS4 NMIS5 NMIS6 NMIS(2*(NL+i))+7 NMIS(2*(NL+i))+8 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+1 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+2 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+3 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+4 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+5 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+6
输出量名称 项目 EPELFXY ETABLE 和 ESOL 命令输入 M N O P NMISC (4*NL)+8+15(N-1)+7 EPELFYZ C EPELFXZ C SFX C SFY C SFZ C SFXY C SFYZ C SFXZ C NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+8 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+9 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+10 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+11 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+12 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+13 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+14 NMIS(4*NL)+8+15(N-1)+15 注
表46.5: \"SOLID46项目与序列号\"中的“i”（其中i = 1, 2, 3 ..., NL）表示单元中的层号。NL是最大层号，作为实常数输入（1≤NL≤250）。N是破坏号，以压缩方式储存在结果文件中，即仅那些事先要求的破坏准则被写入结果文件。例如，仅要求最大应变破坏准则和蔡－吴破坏准则，则先储存最大应变准则（N=1）
再储存蔡－吴破坏准则（N=2）。此外，若一个以上的破坏准则被要求，则所有破坏准则的最大值被储存在最后（例如，N=3）。
SOLID46假设和限制
• 不允许
0体积单元。这通常发生在单元结点未正确编号时。
8个结点。
• 所有单元必须有• 通过定义重合的
K和L、O和P结点号可以形成棱柱体单元（参见三角形、棱柱体和四面体单元）。四面体也是允许的。对四面体单元额外形状被自动删除。
0厚度时允许出现0厚度层。不允许厚度逐
渐减小到0。单元中各层之间没有滑移。
• 仅当在所有角点处都定义为
• 所有的材料方向平行于基准面。此外，任何翘曲的层都当作其是平的且
平行于基准面。
• 矩阵输入选项（KEYOPT(2) = 3）假定单元有一个一致的厚度。这个厚度
的计算是基于结点位置和KREF。
• 相同材料的不同弹模之间大的差异（超过
1000倍）会导致方程求解器最
大和最小主元的大的差异，甚至会出现“负主元…”信息。这时，你应考虑材性差异如此之大是否现实。这种情况下，通过禁用额外位移形状（KEYOPT(1) = 1）也可增强求解稳定性。
KUSE的1选项。
• 每次迭代都形成单元矩阵，除非激活• SHELL91 和 SHELL99壳单元的层间剪切应力基于这样的假定：在壳的外
表面没有层间（横向）剪切应力。这个假定不适用于实体单元。因此，SOLID46有两种形式的剪切应力计算方法：
• 基于结点力（标记为“平均横向剪应力分量”）。
• 基于跨各层平均的应变－位移关系(标记为“最大层间剪应力”)。
这两种方法都不精确，但它们最好应相互一致。两种情况给出的值都是小于极值的平均值。大多数情况下，均值和极值的差异很小；但也可能有高达2倍的差异。
• 厚度方向增加单元会改进层间剪应力计算。
• 当为砖形（直角棱柱）单元时，两种计算结果都是沿单元体积上的常量
应力。所有情况下，该值在层的面内是恒定值，并因此可能被视为重心值。因此，应考虑采用实体－实体子模型来提取自由边上的精确的剪应力值。
• 有关剪应力的进一步讨论参见
ANSYS理论参考。ANSYS结构分析指南中有
关于复合材料单元的信息。
SOLID46 产品限制
对于以下产品，将在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制： ANSYS Professional.
• 该单元被限制为
20个常厚度层，或10个变厚度层，不允许用户输入本构矩阵选项（即，KEYOPT(2) = 3不可用）。
DAMP材性。
• 不允许
• KEYOPT(4) 仅能设为 0 (默认)。 • 不允许
6个用户定义破坏准则（子程序USRFC1到USRFC6）。
• 唯一允许的特殊性质是应力刚化。
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