关于ansys框架计算中beam4单元与beam188单元区别

2016-09-16 by:CAE仿真在线来源:互联网

[讨论] 关于ansys框架计算中beam4单元与beam188单元区别

关于ansys结构计算中beam4单元与beam188单元、beam189单元区别,我们在计算中选取计算单元时总存在疑惑。 Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的三维弹性梁单元。这种单元在每个节点上有六个自由度:x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。
Beam188与Beam189相对Beam4的第一个突出点是具有更出色的截面数据定义功能和可视化特性,横截面定义指垂直于梁的轴向的截面形状。ANSYS提供了11种常用梁截面形状,并支持用户自定义截面形状。当定义了一个横截面时,ANSYS建立一个9结点的数值模型来确定梁的截面特性(如lyy,lzz等),并通过求解泊松方程得到弯曲特征。第二个突出点是Beam188与Beam189自动考虑了剪切变
形。
采用BEAM4建模时,直接输入截面特性:两个主轴的惯性矩,高度,宽度,面积。ANSYS处理时直接调入参数计算。对于所有截面型式模型中均显示为矩形,但对非矩形截面时并不是简单的等效为矩形,在双向受力时按等效矩形计算是错误的。
采用Beam188、Beam189建模时,均采用自定义截面。自定义截面均未考虑型钢截面的倒角,柱由两根工字钢(250X118X8)组焊而成,x-x,y-y轴惯性矩分别比实际减少了0.6%,19%。大梁由两根槽钢(250X78X7)组焊,x-x,y-y轴惯性矩分别比实际减少1.3%,17%。小梁采用200X100X7的工字钢x-x,y-y轴惯性矩分别比实际减少0.8%,2%。可见,对于常见截面型式,直接采用ANSYS提供的
截面误差较小。对于一些组合梁自定义截面时应计入型钢倒角。
Beam4采用了主自由度的原理,是基于结构力学经典梁弯曲理论构造的梁单元,忽略了剪切变形的影响,应用了中线的法线在变形后仍保持和中面垂直的直法线假设。
beam188 、Beam189基于Timoshenko梁的理论。采用相对自由度原理,考虑了剪切变形的影响,挠度和截面转动各自独立插值,但仍假设中面的法线变形后仍保持直线(不一定仍与中面垂直),这类单元本质上就是实体单元。
Beam188 、Beam189单元适合分析从细长到中等粗细的梁结构。但当梁h/l→0时,由于2结点Timoshenko单元Beam188,不象经典梁单元在挠度ω的模式中精确的包含了三次函数,因此正应力误差较大。通过增加单元数提高精度,将使自由度相应成倍增加,因此对于剪切影响可以忽略的情形,可以采用经典梁单元。对于需要考虑剪切变形的影响时,改用高次单元Beam189可得到非常好的结果。
实际工程中常常碰到特殊截面型式,采用Beam4单元时显示为矩形截面,在此需要注意ANSYS 并不是等效为矩形截面,在具体计算时ANSYS 按需要调用输入参数,因此整个截面应力是不正确的。从实际的工程分析的目的考虑,常常最关心的是单元边缘和结点上的应力,截面高度与宽度按实际输入,得到截面边缘应力是可以满足工程需要的。当关心整个截面应力分布时,应考虑采用Beam188与Beam189。
对于中粗梁,剪切变形对位移影响较大,故应考虑采用beam188或beam189。Ansys 对悬臂梁进行分析认为当GAl2 /EI<30时需计入剪切变形影响,对于具体结构此值可作为参考。在对剪切的影响不清楚,并且需要得到比较完善的结果时,可以直接使用beam189单元。

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