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2013-08-14 by:有限元优化设计 来源:仿真在线
Ansys Beam单元详解——BEAM44
BEAM44
3-D 弹性 变截面(Tapered)非对称 梁
BEAM44 Element Description
BEAM44 是一种具有承受拉、压、扭转和弯曲能力的单轴梁。单元每个节点有6个自由度:x、y、z方向的平移和x、y、z轴向的转动。这个单元允许具有不对称的端面结构,并且允许端面节点偏离截面形心位置。如果你并不需要这些特性那么可以选用均质对称的BEAM4单元。同时也可以选用同类型2D单元(BEAM54)。对于非线性材料,使用BEAM188和BEAM189来代替BEAM44。
对于剪切变形的作用是可选的。例外一个可选是可显示在单元坐标系下,力作用单元上。同时包括应力强化和大变形的特性。可以查阅《ANSYS理论手册》得到关于本单元更详细的说明。
BEAM44可以使用SECTYPE, SECDATA, SECOFFSET, SECWRITE, and SECREAD命令来建立任何形状的横截面。但是只有当没有定义实常数时,上面的定义截面的命令才有效。
BEAM44 输入数据
单元的几何模型、节点位置和坐标系如图44.1所示。单元由参考坐标(x', y', z')和偏移量来定位。这个参考坐标由I、J和K节点或方向角来定义,如图44.1所示。梁的主轴为单元坐标系(x, y, z)中沿X方向,并经过横截面中心(C.G.)。
单元的X轴的方向是指从I节点(end 1)到J节点(end 2)。如果只给了两个节点参数,默认(θ = 0°)那单元Y轴的方向自动确定为平行于系统坐标系下的X-Y平面。有关示例见上图。当单元坐标的X轴平行于整体坐标系下的Z轴(包括0.01%的偏差在内),单元Y轴的方向是平行于总体坐标系下的Y轴。用户可以通过给定θ角或定义第三个节点的方法来控制单元的方向。如果前面的两个参数同时给定时,则以给定第三点的控制为准。第三点一经给出就意味着定义了一个由I,J,K三点定义的平面且该平面包含了单元坐标的X与Z轴。当本单元用于大变形分析时,那么给定的第三节点(K)或旋转角(θ)仅用来确定单元的初始状态。(有关方向节点及单元划分的详细信息参见《实体单元分网》及《ansys建模与分网指南》。K节点的只能生成可以查看LMESH和LATT命令描述。
用实常数来描述梁的横截面,需要定义面积、面积惯性矩、端点到形心的距离,形心的偏移,和剪切系数。IZ和IY两个惯性矩是在单元主轴的侧面。截面 1(IX1)的扭转惯性矩如果没有特别说明,那其值就默认为在截面1的极惯性矩(IZ1+IY1)。截面2 的转动惯性矩(IX2,IY2和IZ2),如果空白,就默认为对应截面1的值。单元的扭转刚度随着IX的值而减小。
偏移量常数(DX, DY, DZ)由截面中心位置相对节点位置来定义。沿着单元坐标系正向的位置为正。所有截面2 处实常数(除了中心偏移实常数DX, DY, 和 DZ)如果为0,则都默认为其对应截面 1 处的值。截面1节点的上层厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT1 和 TKYT1,分别默认为截面1节点的下层厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB1 and TKYB1。截面 2节点的上层厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT2 和 TKYT2,也分别默认为截面 2节点的下层厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB2 and TKYB2。上层厚度为顶点到截面中心的距离,下层厚度为底点到截面中心的距离。
剪切变形系数(SHEARZ和SHEARY)只有在考虑剪切变形时才使用。某个方向上剪切系数为0,一般用在忽略该方向上的剪切变形。查看剪切变形细节。
如果没有实常数定义,使用SECTYPE 和 SECDATA命令来分别定义横截面(细节查看《ANSYS结构分析指南》中的梁分析和横截面)。注意使用SECTYPE 和 SECDATA命令建立的截面可以在同一个模型中被BEAM44, BEAM188, 和 BEAM189中的任何组合使用。截面与单元用截面号(SECNUM)来关联,截面号是独立的单元属性。
KEYOPT(2)允许缩减质量矩阵(reduced mass matrix)表达(删除转动方向的自由度)。这个选项有助于改善在分析细长杆在质量荷载(mass loading)下计算得到弯曲应力结果。
KEYOPT(7) 和 KEYOPT(8)允许在单元坐标系上节点上的单元节点约束释放。在做自由运动时,节点约束则不能释放,同时将会有pivot警告和错误信息。同时,应力刚度矩阵的平移自由度上不能进行节点约束释放。作用在节点约束释放方向上的荷载将被忽略。对于大变形,注意到单元的节点约束释放是沿着单元的方向,但是在节点耦合处不释放。在没有节点约束释放的模型中添加柔性(低弹性模量)梁单元有助于提高解的稳定性。
剪切面积(ARES_ _)和扭转应力系数(TSF_) 在非零时,将起作用。剪切面积仅仅是为了计算剪切应力,一般小于实际横截面的面积。扭惯性矩乘上扭转应力系数可计算得到扭转剪切应力。扭转剪切系数一般可在结构手册上查到。对于圆截面,TSF=直径/(2*IX)。
对于有些梁的截面,剪切中心可以与形心不重合。非零的剪切中间偏移(DSC_ _)应该按图44.1“梁几何模型”所示的输入。剪切中心偏移以形心沿单元坐标系正向为正。截面 2节点的偏移值如果为0,则默认为截面1节点的数值。如图44.2“梁的应力输出”所示,如果从Y1到Z4的常数给定,梁每端可以输出给定点4个点的附加应力。
弹性基础刚度(EFS_)是基础产生单位法向变形所需的压力。当EFS_为0时,可以忽略这个性能。单元的初始应变(ISTRN)通过Δ/L给定,这里的Δ是单元长度L(由节点I和J的坐标所决定)与零应变时的长度之差。参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。
“节点与单元荷载”一节对“单元荷载”有专门介绍。可以在本单元的表面施加面荷载,如上图中带圈数字所示,其中箭头指向为面荷载作用正向。横向均布压力的单位为力每单位长度,端点作用的压力应以集中力的形式输入。KEYOPT(10)用来控制线性变化的横向压力相对单元节点的偏移量。可在单元几何图形的八个角上设定温度值,其被当作体荷载处理。第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF,如其它角的温度未给定时其默认值等于第一个角的温度,如给定了T1和T2则T3的默认值为T2,T4的默认值为T1;T5到T8的值默认与T1到T4的值相对应。对于其他输入方法,没有定义温度,则都默认TUNIF。
KEYOPT(9)用来控制两节点中间部分相关值的输出情况,值是按平衡条件得出的。但在下列情况下这些值不能得到:
l 考虑应力硬化时[SSTIF,ON];
l 一个以上的部件作用有角速度时[OMEGA];
l 通过命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度时。
概要的单元输入在“BEAM44 输入概要”中有介绍。单元输入的一般描述在“单元输入”中有介绍。
BEAM44 输入概要
节点 I, J, K (K 方向节点可选)
自由度 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
实常数
|
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 |
|
查阅 Table 44.1: "BEAM44 Real Constants" 获得实常数的描述 |
材料属性 EX, ALPX (or CTEX or THSX), DENS, GXY, DAMP
面荷载
压力 --
|
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) |
|
(负值表示反方向面荷载) |
体力
温度 --
T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8
特性
|
应力强化 |
|
大变形 |
|
单元生死 |
KEYOPT(2) 集总质量矩阵:
0 -- 协调
1 -- 缩减
KEYOPT(6) 输出力和力矩:
0 -- 没有力的输出
1 -- 输出在单元坐标系下的力和力矩
KEYOPT(7) I节点约束释放:
1 -- 单元Z轴约束释放
10 -- 单元Y轴约束释放
100 -- 单元X轴约束释放
1000 -- 单元Z方向约束释放
10000 -- 单元Y方向约束释放
100000 -- 单元X方向约束释放
为了组合这些约束释放, 可以输入这些数字的和(例如输入11表示Z轴和Y轴转动).
KEYOPT(8) 与 KEYOPT(7)相同 只表示在J节点:
KEYOPT(9) 控制单元节点间计算点的输出情况
N -- 输出计算点数(N=0,1,3,5,7,9)
KEYOPT(10) 用于控制用SFBEAM指令输入荷载偏移量的输入方法:
0 -- 以长度为单位,直接输入压力相对于I,J节点的偏移量
1 -- 以偏移量与单元长度的比值为单位(0~1),用相对值形式输入偏移
注意:
SHEARZ 与 IZ相关. 如果 SHEARZ = 0.0, 表示在Y方向上没有剪切变形.
SHEARY与 IY相关. 如果 SHEARY = 0.0, 表示在Z方向上没有剪切变形
表 44.1 BEAM44 实常数
|
序号 |
名称 |
描述 |
|
1 |
AREA1 |
截面1的面积 |
|
2, 3 |
IZ1, IY1 |
截面1惯性矩 |
|
4, 5 |
TKZB1, TKYB1 |
截面1的Z方向和Y方向的下层厚度 |
|
6 |
IX1 |
截面1扭转惯性矩 |
|
7 |
AREA2 |
截面2的面积 |
|
8, 9 |
IZ2, IY2 |
截面2惯性矩 |
|
10, 11 |
TKZB2, TKYB2 |
截面2的Z方向和Y方向的下层厚度 |
|
12 |
IX2 |
截面1扭转惯性矩 |
|
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方向上的剪切变形系数 |
|
21,22 |
TKZT1, TKYT1 |
截面1的Z方向和Y方向的上层厚度 |
|
23, 24 |
TKZT2, TKYT2 |
截面2的Z方向和Y方向的上层厚度 |
|
25, 26 |
ARESZ1, ARESY1 |
截面1上Z方向和Y方向的剪切面积 |
|
27, 28 |
ARESZ2, ARESY2 |
截面2上Z方向和Y方向的剪切面积 |
|
29. 30 |
TSF1, TSF2 |
每个截面的扭转应力系数 |
|
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 |
基础刚度 |
|
37, 38 |
Y1, Z1 |
截面1附加应力输出坐标值系列1 |
|
39, 40 |
Y2, Z2 |
截面1附加应力输出坐标值系列2 |
|
41, 42 |
Y3, Z3 |
截面1附加应力输出坐标值系列3 |
|
43, 44 |
Y4, Z4 |
截面1附加应力输出坐标值系列4 |
|
45, 46 |
Y1, Z1 |
截面2附加应力输出坐标值系列1 |
|
47, 48 |
Y2, Z2 |
截面2附加应力输出坐标值系列2 |
|
49, 50 |
Y3, Z3 |
截面2附加应力输出坐标值系列3 |
|
51, 52 |
Y4, Z4 (at end J) |
截面2附加应力输出坐标值系列4 |
|
53 |
THETA |
X轴角度 |
|
54 |
ISTRN |
初始应变 |
|
55 |
ADDMAS |
附加质量/单位长度 |
BEAM44 输出数据
单元的求解结果总体为以下两部分:
l 全部节点解包括节点位移解;
l单元解,细则见“BEAM4单元输出数据一览表”
图44.2“BEAM44应力输出”已经图示了几种情况。在每个截面计算结果包括轴向应力和4个弯曲应力。这是5个应力值组合起来以矩形截面形式得到最大和最小应力。如果从Y1到Z4的实数给定,在任何点的组合应力也可以计算得到,如果图44.2“BEAM44应力输出”所示。对于KEYOPT(6) = 1的单元,12个弯距和轴力(每边6个)也可以输出(在单元坐标系上)。单元的X轴通过截面的重心。如果实常数25~30(ARES_ _, TSF_)给定,平均剪切应力和扭转应力也可以输出。如果他们都为0,剪切应力和扭转应力的输入将无效。如果设置了KEYOPT(9),还可以输出2个端点之间的点的值。有关求解输出的总体性介绍请见“Solution Output”,而有关结果内容察看的一些方法见“ANSYS Basic Analysis Guide”
注意:
如果输入/ESHAPE,1 ,3D显示的BEAM44单元只仅限在ANSYS前处理器中,后处理器将无法显示3D效果。
单位输出定义表使用下面符号:
在name 列的冒号表示该项目可以通过构成名字的方法来获得[ETABLE, ESOL]。第0 列表示该项有效的说明在文件Jobname.OUT 中。R 列表示该项的结果显示在results 文件中。无论在0 还是R 列中,Y 表示该项一直是可用的。数值表示描述哪里该项是选择性提供的脚注,-表示该项不提供
表 44.2 BEAM44 单元输出定义
|
名称 |
定义 |
O |
R |
|
EL |
单元号 |
Y |
Y |
|
NODES |
节点 - I, J |
Y |
Y |
|
MAT |
材料号 |
Y |
Y |
|
VOLU: |
体积 |
- |
Y |
|
XC, YC, ZC |
输出结果坐标 |
Y |
5 |
|
TEMP |
温度 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8 |
Y |
Y |
|
PRES |
压力P1 at nodes I, J; 偏移量1 at I, J; 压力P2 at I, J; 偏移量2 at I, J; 压力P3 at I, J; 偏移量3 at I, J; 压力P4 at I; 压力P5 at J |
Y |
Y |
|
SDIR |
轴向正应力 |
1 |
1 |
|
SBYT |
梁内单元+Y面上的弯曲应力 |
1 |
1 |
|
SBYB |
梁内单元-Y面上的弯曲应力 |
1 |
1 |
|
SBZT |
梁内单元+Z面上的弯曲应力 |
1 |
1 |
|
SBZB |
梁内单元-Z面上的弯曲应力 |
1 |
1 |
|
SMAX |
最大应力(正应力+弯曲应力) |
1 |
1 |
|
SMIN |
最小应力(正应力-弯曲应力) |
1 |
1 |
|
EPELDIR |
端部轴向弹性应变 |
1 |
1 |
|
EPELBYT |
梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变 |
1 |
1 |
|
EPELBYB |
梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变 |
1 |
1 |
|
EPELBZT |
梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变 |
1 |
1 |
|
EPELBZB |
梁内单元-Z面上的弯曲弹性应变 |
1 |
1 |
|
EPTHDIR |
端点轴向热应变 |
1 |
1 |
|
EPTHBYT |
梁内单元+Y面上的弯曲热应变 |
1 |
1 |
|
EPTHBYB |
梁内单元-Y面上的弯曲热应变 |
1 |
1 |
|
EPTHBZT |
梁内单元+Z面上的弯曲热应变 |
1 |
1 |
|
EPTHBZB |
梁内单元-Z面上的弯曲热应变 |
1 |
1 |
|
EPINAXL |
单元初始轴向应变 |
1 |
1 |
|
S(XY, XZ, YZ) |
平均剪切Y方向,平均剪切Z方向,扭转应力 |
2 |
2 |
|
S(AXL1, AXL2, AXL3, AXL4) |
定义点的组合应力 |
3 |
3 |
|
MFOR(X, Y, Z) |
元坐标系中X,Y,Z方向的力 |
4 |
Y |
|
MMOM(X, Y, Z) |
单元坐标系中X,Y,Z方向的弯矩 |
4 |
Y |
- 这些项目在I截面重复, 中间计算点(查看 KEYOPT(9)), 和J截面
- 只在实常数25-30给定时输出
- 只在实常数37-52给定时输出
- 如果KEYOPT(6) = 1
- 在中心点使用 *GET 命令.
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