圖1 COMBIN40單元示意圖
在最一般情況下，COMBIN單元通過兩個節點、兩個彈簧常數K1和K2 (力/長度)、一個阻尼係數C (力×時間/長度)、一個質量M (力×時間2/長度)、一個間隙尺寸GAP (長度)以及一個極限滑動力FSLIDE (力)所定義。括號中的各變量單位僅適用於線彈簧情形。
此單元的上述質量、彈簧、滑塊、阻尼器以及間隙並一定需要同時出現，不需要的元件可以移除。如果K1、K2、C中的某個為零時，對應的彈簧或阻尼元件從單元中移除。GAP為零則間隙從單元中移除，GAP為正表示間隙，GAP為負表示幹涉。如果間隙為零，則單元作為彈簧-阻尼-滑塊組合元件，同時具有受拉和受壓能力。如果間隙初始不為零，則單元的響應為：當彈簧的力 (F1+F2)為負(受壓)，則間隙保持閉合，單元作為彈簧-阻尼並聯元件。如果彈簧力為正positive (受拉)，間隙張開不傳遞任何力。FSLIDE 表示滑動開始前彈簧力的絕對值的極限值。當滑塊彈簧的力(F1)超過FSLIDE，滑塊彈簧的力保持不變。當極限滑動力達到|FSLIDE|時並使彈簧剛度K1降至零，COMBIN40單元可以模擬分離行為。FSLIDE為零則滑塊功能被移除，形成剛性連接。如果FSLIDE被指定為一個負值，剛度降為零則K1彈簧不起任何作用。
COMBIN40單元的特性與其KEYOPT選項相關，其中KEYOPT(1)用於控制求解類型，KEYOPT(2)及KEYOPT(3)用於控制單元的力學行為。
(1) KEYOPT(1)選項
KEYOPT(1)選項用於間隙的行為類型，包含如下的兩種選項。
①KEYOPT(1)=0
如果選擇了此選項，表示間隙行為類型是標準間隙。
②KEYOPT(1)=1
如果選擇了此選項，表示間隙行為類型是在初始接觸後保持關閉（「鎖定」）。
(2)KEYOPT(3)選項
KEYOPT(3)選項用於控制單元的自由度，包含如下的具體選項。
①KEYOPT(3)=0, 1
UX (Displacement along nodal X axes)
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個位移自由度UX，沿著節點坐標系的X方向。
②KEYOPT(3)=2
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個位移自由度UY，沿著節點坐標系的Y方向。
③KEYOPT(3)=3
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個位移自由度UZ，沿著節點坐標系的Z方向。
④KEYOPT(3)=4
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個轉動自由度ROTX，繞節點坐標系的X軸。
⑤KEYOPT(3)=5
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個轉動自由度ROTY，繞節點坐標系的Y軸。
⑥KEYOPT(3)=6
如果選擇了此選項，表示COMBIN40單元的每一個節點有一個轉動自由度ROTZ，繞節點坐標系的Z軸。
⑦KEYOPT(3)=7
如果選擇了此選項，則表示此單元各個節點自由度為Pressure。
⑧KEYOPT(3)=8
如果選擇了此選項，則表示此單元各個節點自由度為Temperature。
(3)KEYOPT(4)選項
KEYOPT(4)選項用於控制單元輸出，包括如下的具體選項。
①KEYOPT(4)=0
這種情況下，對於所有的狀態條件產生單元列印輸出。
②KEYOPT(4)=1
這種情況下，當GAP為Open（STAT =3）時抑制單元列印輸出。
(4)KEYOPT(6)選項
KEYOPT(6)選項用於控制質量點的位置，具體包括如下的選項：
①KEYOPT(6)=0
這種情況下，COMBIN40單元的質量集中在節點I上。
②KEYOPT(6)=1
這種情況下，COMBIN40單元的質量在節點I和節點J上各分配一半。
③KEYOPT(6)=2
這種情況下，COMBIN40單元的質量集中在節點I上。
以上KEYOPT選項一般通過KEYOPT命令進行設置，比如KEYOPT(1)=0，KEYOPT(3)=2，KEYOPT(4)=0，KEYOPT(6)=1，如果COMBIN40單元號為1，則通過如下的命令進行設置：
KEYOPT,1,1,0KEYOPT,1,3,2KEYOPT,1,4,0KEYOPT,1,6,1
也可以通過MainMenu> Preprocessor >Element Type> Add/Edit/Delete ，打開Element Types設置框，在DefinedElement Types列表中選擇COMBIN40單元，按Options按鈕，打開COMBIN40element type options設置框，在其中直接指定K1、K3、K4及K6，如圖2所示。圖2 COMBIN40單元的KEYOPT選項設置
COMBIN40單元的實常數按次序為K1、C、M、GAP、FSLIDE、K2，這些常數的意義列於表1中。
實常數的指定可以通過如下的命令：
R, NSET, R1, R2, R3, R4, R5, R6如果通過界面操作，則選擇菜單MainMenu> Preprocessor >Real Constants > Add/Edit/Delete，打開Real Constants設置框，在其中選擇Add按鈕，在單元列表中選擇COMBIN40，點OK按鈕，打開RealConstant Set Number X,for COMBIN40設置框，如圖3所示，在其中直接輸入實常數的值。圖3 COMBIN40單元實常數
COMBIN40單元可用的材料參數是質量剛度阻尼係數ALPD和剛度阻尼係數BETD。可通過MP,ALPD以及MP,BETD命令定義。界面操作的方法與前面介紹的其他單元相同，這裡不再重複介紹。
COMBIN40單元的計算輸出結果項目包括節點位移解以及表2所列的項目。
表2 輸出結果項目
上表中，STR是子步的結束時刻彈簧位移，STR=U(J)-U(I)+GAP-SLIDE，這個值用於計算彈簧中的力。SLIDE 是子步結束時刻相對開始位置的累積滑移量。狀態變量STAT取值有如下情況：
(1) STAT=1，表示GAP閉合（無滑移）；
(2) STAT=2，表示向右滑移，即節點J向節點I的右側移動；
(3) STAT=-2，表示向左滑移，即節點J向節點I的左側移動；
(4) STAT=3，表示GAP為Open狀態，時間步結束時單元剛度為零。
當使用ETABLE和ESOL命令提取計算結果項目時，經常使用到序列號，列於表3中。
表3COMBIN40單元結果項目序列號
使用COMBIN40單元時，要注意以下的注意事項及限制條件：
COMBIN40單元假設1-D的行為，每個節點僅有一個自由度，在節點坐標系中並按KEYOPT選項的指定。節點I和節點J可以是任意位置的點，通常建議指定兩個重合的節點。單元的節點J相對於節點I發生正的位移時認為趨向於打開間隙，相反則間隙閉合成為一個鉤子。
此單元的非線性選項僅用於靜力分析及完全法瞬態分析，如在其他分析中使用，則單元保持其最初的狀態。
GAP和FSLIDE為零時，單元的間隙和滑塊功能被自動去除。GAP和FSLIDE不為零時計算需要進行迭代求解。如果FSLIDE不為零，單元是不保守的非線性單元。非保守的行為需要加載非常緩慢，以便跟蹤按實際順序的加載路徑歷史，
單元的質量僅在一個方向運動，即質量是1-D的，且僅可以採用集中質量矩陣。
當單元中包含間隙時，必須定義K1或K2之一，且不應指定過高的不切實際的剛度值。剛度增加時會降低收斂速度。
後續將發布COMBIN40單元在動力體系諧響應分析中的應用算例，並與彈簧-質量單元組合建模方式的計算結果進行比較。說明：本文內容摘選自《ANSYS工程結構數值分析方法與計算實例 第2分冊：結構動力學問題、結構非線性問題》，中國鐵道出版社，2015年版，本書購買連結如下。往期精彩回看：
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