Ansys Beam單元詳解——BEAM44(一)

2013-08-14 by:有限元優化設計來源:仿真在線

Ansys Beam單元詳解——BEAM44

BEAM44

3-D 彈性變截面(Tapered)非對稱梁

BEAM44 Element Description

BEAM44 是一種具有承受拉、壓、扭轉和彎曲能力的單軸梁。單元每個節點有6個自由度:x、y、z方向的平移和x、y、z軸向的轉動。這個單元允許具有不對稱的端面結構,并且允許端面節點偏離截面形心位置。如果你并不需要這些特性那么可以選用均質對稱的BEAM4單元。同時也可以選用同類型2D單元(BEAM54)。對于非線性材料,使用BEAM188和BEAM189來代替BEAM44。

對于剪切變形的作用是可選的。例外一個可選是可顯示在單元坐標系下,力作用單元上。同時包括應力強化和大變形的特性。可以查閱《ANSYS理論手冊》得到關于本單元更詳細的說明。

BEAM44可以使用SECTYPE, SECDATA, SECOFFSET, SECWRITE, and SECREAD命令來建立任何形狀的橫截面。但是只有當沒有定義實常數時,上面的定義截面的命令才有效。

Ansys Beam單元詳解——BEAM44(一)ansys workbanch圖片1

BEAM44 輸入數據

單元的幾何模型、節點位置和坐標系如圖44.1所示。單元由參考坐標(x', y', z')和偏移量來定位。這個參考坐標由I、J和K節點或方向角來定義,如圖44.1所示。梁的主軸為單元坐標系(x, y, z)中沿X方向,并經過橫截面中心(C.G.)。

單元的X軸的方向是指從I節點(end 1)到J節點(end 2)。如果只給了兩個節點參數,默認(θ = 0°)那單元Y軸的方向自動確定為平行于系統坐標系下的X-Y平面。有關示例見上圖。當單元坐標的X軸平行于整體坐標系下的Z軸(包括0.01%的偏差在內),單元Y軸的方向是平行于總體坐標系下的Y軸。用戶可以通過給定θ角或定義第三個節點的方法來控制單元的方向。如果前面的兩個參數同時給定時,則以給定第三點的控制為準。第三點一經給出就意味著定義了一個由I,J,K三點定義的平面且該平面包含了單元坐標的X與Z軸。當本單元用于大變形分析時,那么給定的第三節點(K)或旋轉角(θ)僅用來確定單元的初始狀態。(有關方向節點及單元劃分的詳細信息參見《實體單元分網》及《ansys建模與分網指南》。K節點的只能生成可以查看LMESH和LATT命令描述。

用實常數來描述梁的橫截面,需要定義面積、面積慣性矩、端點到形心的距離,形心的偏移,和剪切系數。IZ和IY兩個慣性矩是在單元主軸的側面。截面 1(IX1)的扭轉慣性矩如果沒有特別說明,那其值就默認為在截面1的極慣性矩(IZ1+IY1)。截面2 的轉動慣性矩(IX2,IY2和IZ2),如果空白,就默認為對應截面1的值。單元的扭轉剛度隨著IX的值而減小。

偏移量常數(DX, DY, DZ)由截面中心位置相對節點位置來定義。沿著單元坐標系正向的位置為正。所有截面2 處實常數(除了中心偏移實常數DX, DY, 和 DZ)如果為0,則都默認為其對應截面 1 處的值。截面1節點的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT1 和 TKYT1,分別默認為截面1節點的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB1 and TKYB1。截面 2節點的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT2 和 TKYT2,也分別默認為截面 2節點的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB2 and TKYB2。上層厚度為頂點到截面中心的距離,下層厚度為底點到截面中心的距離。

剪切變形系數(SHEARZ和SHEARY)只有在考慮剪切變形時才使用。某個方向上剪切系數為0,一般用在忽略該方向上的剪切變形。查看剪切變形細節。

如果沒有實常數定義,使用SECTYPE 和 SECDATA命令來分別定義橫截面(細節查看《ANSYS結構分析指南》中的梁分析和橫截面)。注意使用SECTYPE 和 SECDATA命令建立的截面可以在同一個模型中被BEAM44, BEAM188, 和 BEAM189中的任何組合使用。截面與單元用截面號(SECNUM)來關聯,截面號是獨立的單元屬性。

KEYOPT(2)允許縮減質量矩陣(reduced mass matrix)表達(刪除轉動方向的自由度)。這個選項有助于改善在分析細長桿在質量荷載(mass loading)下計算得到彎曲應力結果。

KEYOPT(7) 和 KEYOPT(8)允許在單元坐標系上節點上的單元節點約束釋放。在做自由運動時,節點約束則不能釋放,同時將會有pivot警告和錯誤信息。同時,應力剛度矩陣的平移自由度上不能進行節點約束釋放。作用在節點約束釋放方向上的荷載將被忽略。對于大變形,注意到單元的節點約束釋放是沿著單元的方向,但是在節點耦合處不釋放。在沒有節點約束釋放的模型中添加柔性(低彈性模量)梁單元有助于提高解的穩定性。

剪切面積(ARES_ _)和扭轉應力系數(TSF_) 在非零時,將起作用。剪切面積僅僅是為了計算剪切應力,一般小于實際橫截面的面積。扭慣性矩乘上扭轉應力系數可計算得到扭轉剪切應力。扭轉剪切系數一般可在結構手冊上查到。對于圓截面,TSF=直徑/(2*IX)。

對于有些梁的截面,剪切中心可以與形心不重合。非零的剪切中間偏移(DSC_ _)應該按圖44.1“梁幾何模型”所示的輸入。剪切中心偏移以形心沿單元坐標系正向為正。截面 2節點的偏移值如果為0,則默認為截面1節點的數值。如圖44.2“梁的應力輸出”所示,如果從Y1到Z4的常數給定,梁每端可以輸出給定點4個點的附加應力。

彈性基礎剛度(EFS_)是基礎產生單位法向變形所需的壓力。當EFS_為0時,可以忽略這個性能。單元的初始應變(ISTRN)通過Δ/L給定,這里的Δ是單元長度L(由節點I和J的坐標所決定)與零應變時的長度之差。參數ADDMAS要輸入的值是每單位長度的附加質量。

“節點與單元荷載”一節對“單元荷載”有專門介紹。可以在本單元的表面施加面荷載,如上圖中帶圈數字所示,其中箭頭指向為面荷載作用正向。橫向均布壓力的單位為力每單位長度,端點作用的壓力應以集中力的形式輸入。KEYOPT(10)用來控制線性變化的橫向壓力相對單元節點的偏移量。可在單元幾何圖形的八個角上設定溫度值,其被當作體荷載處理。第一個角上的溫度T1的默認值為TUNIF,如其它角的溫度未給定時其默認值等于第一個角的溫度,如給定了T1和T2則T3的默認值為T2,T4的默認值為T1;T5到T8的值默認與T1到T4的值相對應。對于其他輸入方法,沒有定義溫度,則都默認TUNIF。

KEYOPT(9)用來控制兩節點中間部分相關值的輸出情況,值是按平衡條件得出的。但在下列情況下這些值不能得到:

l 考慮應力硬化時[SSTIF,ON];

l 一個以上的部件作用有角速度時[OMEGA];

l 通過命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度時。

概要的單元輸入在“BEAM44 輸入概要”中有介紹。單元輸入的一般描述在“單元輸入”中有介紹。

BEAM44 輸入概要

節點 I, J, K (K 方向節點可選)

自由度 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

實常數

AREA1, IZ1, IY1, TKZB1, TKYB1, IX1,

AREA2, IZ2, IY2, TKZB2, TKYB2, IX2,

DX1, DY1, DZ1, DX2, DY2, DZ2,

SHEARZ, SHEARY, TKZT1, TKYT1, TKZT2, TKYT2,

ARESZ1, ARESY1, ARESZ2, ARESY2, TSF1, TSF2,

DSCZ1, DSCY1, DSCZ2, DSCY2, EFSZ, EFSY,

Y1, Z1, Y2, Z2, Y3, Z3,

Y4, Z4, Y1, Z1, Y2, Z2,

Y3, Z3, Y4, Z4, THETA, ISTRN,

ADDMAS

查閱 Table 44.1: "BEAM44 Real Constants" 獲得實常數的描述

材料屬性 EX, ALPX (or CTEX or THSX), DENS, GXY, DAMP

面荷載

壓力 --

face 1 (I-J) (-Z normal direction)

face 2 (I-J) (-Y normal direction)

face 3 (I-J) (+X tangential direction)

face 4 (I) (+X axial direction)

face 5 (J) (-X axial direction)

(負值表示反方向面荷載)

體力

溫度 --

T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8

特性

應力強化

大變形

單元生死

KEYOPT(2) 集總質量矩陣:

0 -- 協調

1 -- 縮減

KEYOPT(6) 輸出力和力矩:

0 -- 沒有力的輸出

1 -- 輸出在單元坐標系下的力和力矩

KEYOPT(7) I節點約束釋放:

1 -- 單元Z軸約束釋放

10 -- 單元Y軸約束釋放

100 -- 單元X軸約束釋放

1000 -- 單元Z方向約束釋放

10000 -- 單元Y方向約束釋放

100000 -- 單元X方向約束釋放

為了組合這些約束釋放, 可以輸入這些數字的和(例如輸入11表示Z軸和Y軸轉動).

KEYOPT(8) 與 KEYOPT(7)相同只表示在J節點:

KEYOPT(9) 控制單元節點間計算點的輸出情況

N -- 輸出計算點數(N=0,1,3,5,7,9)

KEYOPT(10) 用于控制用SFBEAM指令輸入荷載偏移量的輸入方法:

0 -- 以長度為單位,直接輸入壓力相對于I,J節點的偏移量

1 -- 以偏移量與單元長度的比值為單位(0~1),用相對值形式輸入偏移

注意:

SHEARZ 與 IZ相關. 如果 SHEARZ = 0.0, 表示在Y方向上沒有剪切變形.

SHEARY與 IY相關. 如果 SHEARY = 0.0, 表示在Z方向上沒有剪切變形

表 44.1 BEAM44 實常數

序號	名稱	描述
1	AREA1	截面1的面積
2, 3	IZ1, IY1	截面1慣性矩
4, 5	TKZB1, TKYB1	截面1的Z方向和Y方向的下層厚度
6	IX1	截面1扭轉慣性矩
7	AREA2	截面2的面積
8, 9	IZ2, IY2	截面2慣性矩
10, 11	TKZB2, TKYB2	截面2的Z方向和Y方向的下層厚度
12	IX2	截面1扭轉慣性矩
13, 14, 15	DX1, DY1, DZ1	截面1的X, Y, and Z方向的形心偏移量
16, 17, 18	DX2, DY2, DZ2	截面2的X, Y, and Z方向的形心偏移量
19, 20	SHEARZ, SHEARY	Z方向和Y方向上的剪切變形系數
21,22	TKZT1, TKYT1	截面1的Z方向和Y方向的上層厚度
23, 24	TKZT2, TKYT2	截面2的Z方向和Y方向的上層厚度
25, 26	ARESZ1, ARESY1	截面1上Z方向和Y方向的剪切面積
27, 28	ARESZ2, ARESY2	截面2上Z方向和Y方向的剪切面積
29. 30	TSF1, TSF2	每個截面的扭轉應力系數
31, 32	DSCZ1, DSCY1	截面1的剪切中心偏移量
33, 34	DSCZ2, DSCY2	截面2的剪切中心偏移量
35, 36	EFSZ, EFSY	基礎剛度
37, 38	Y1, Z1	截面1附加應力輸出坐標值系列1
39, 40	Y2, Z2	截面1附加應力輸出坐標值系列2
41, 42	Y3, Z3	截面1附加應力輸出坐標值系列3
43, 44	Y4, Z4	截面1附加應力輸出坐標值系列4
45, 46	Y1, Z1	截面2附加應力輸出坐標值系列1
47, 48	Y2, Z2	截面2附加應力輸出坐標值系列2
49, 50	Y3, Z3	截面2附加應力輸出坐標值系列3
51, 52	Y4, Z4 (at end J)	截面2附加應力輸出坐標值系列4
53	THETA	X軸角度
54	ISTRN	初始應變
55	ADDMAS	附加質量/單位長度

BEAM44 輸出數據

單元的求解結果總體為以下兩部分:

l 全部節點解包括節點位移解;

l單元解,細則見“BEAM4單元輸出數據一覽表”

圖44.2“BEAM44應力輸出”已經圖示了幾種情況。在每個截面計算結果包括軸向應力和4個彎曲應力。這是5個應力值組合起來以矩形截面形式得到最大和最小應力。如果從Y1到Z4的實數給定,在任何點的組合應力也可以計算得到,如果圖44.2“BEAM44應力輸出”所示。對于KEYOPT(6) = 1的單元,12個彎距和軸力(每邊6個)也可以輸出(在單元坐標系上)。單元的X軸通過截面的重心。如果實常數25~30(ARES_ _, TSF_)給定,平均剪切應力和扭轉應力也可以輸出。如果他們都為0,剪切應力和扭轉應力的輸入將無效。如果設置了KEYOPT(9),還可以輸出2個端點之間的點的值。有關求解輸出的總體性介紹請見“Solution Output”,而有關結果內容察看的一些方法見“ANSYS Basic Analysis Guide”

注意:

如果輸入/ESHAPE,1 ,3D顯示的BEAM44單元只僅限在ANSYS前處理器中,后處理器將無法顯示3D效果。

單位輸出定義表使用下面符號:

在name 列的冒號表示該項目可以通過構成名字的方法來獲得[ETABLE, ESOL]。第0 列表示該項有效的說明在文件Jobname.OUT 中。R 列表示該項的結果顯示在results 文件中。無論在0 還是R 列中,Y 表示該項一直是可用的。數值表示描述哪里該項是選擇性提供的腳注,-表示該項不提供

表 44.2 BEAM44 單元輸出定義

名稱	定義	O	R
EL	單元號	Y	Y
NODES	節點 - I, J	Y	Y
MAT	材料號	Y	Y
VOLU:	體積	-	Y
XC, YC, ZC	輸出結果坐標	Y	5
TEMP	溫度 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8	Y	Y
PRES	壓力P1 at nodes I, J; 偏移量1 at I, J; 壓力P2 at I, J; 偏移量2 at I, J; 壓力P3 at I, J; 偏移量3 at I, J; 壓力P4 at I; 壓力P5 at J	Y	Y
SDIR	軸向正應力	1	1
SBYT	梁內單元+Y面上的彎曲應力	1	1
SBYB	梁內單元-Y面上的彎曲應力	1	1
SBZT	梁內單元+Z面上的彎曲應力	1	1
SBZB	梁內單元-Z面上的彎曲應力	1	1
SMAX	最大應力(正應力+彎曲應力)	1	1
SMIN	最小應力(正應力-彎曲應力)	1	1
EPELDIR	端部軸向彈性應變	1	1
EPELBYT	梁內單元+Y面上的彎曲彈性應變	1	1
EPELBYB	梁內單元-Y面上的彎曲彈性應變	1	1
EPELBZT	梁內單元+Z面上的彎曲彈性應變	1	1
EPELBZB	梁內單元-Z面上的彎曲彈性應變	1	1
EPTHDIR	端點軸向熱應變	1	1
EPTHBYT	梁內單元+Y面上的彎曲熱應變	1	1
EPTHBYB	梁內單元-Y面上的彎曲熱應變	1	1
EPTHBZT	梁內單元+Z面上的彎曲熱應變	1	1
EPTHBZB	梁內單元-Z面上的彎曲熱應變	1	1
EPINAXL	單元初始軸向應變	1	1
S(XY, XZ, YZ)	平均剪切Y方向,平均剪切Z方向,扭轉應力	2	2
S(AXL1, AXL2, AXL3, AXL4)	定義點的組合應力	3	3
MFOR(X, Y, Z)	元坐標系中X,Y,Z方向的力	4	Y
MMOM(X, Y, Z)	單元坐標系中X,Y,Z方向的彎矩	4	Y