ansys单元beam4.docx

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ansys单元beam4

Beam4单元描述

Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。

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。

通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。

关于本单元更详细的介绍请参阅《ansys理论手册》,关于渐变的非对称弹性梁的问题应按beam44单元考虑，三维塑性梁应按beam24单元考虑。

Beam4单元的几何模型

（如果省略节点K或Θ角为0度，则单元的Y轴平行于整体坐标系下的X－Y平面）

单元的输入数据：

关于本单元的几何模型，节点座标及座标系统详见上图。

本单元的定义通常是以下这些输入参数确定的：

二或三个节点变量，横截面积变量，两个轴惯性矩（IZZ和IYY）变量，两个厚度变量（TKZ，TKY），绕单元座标系下X轴的转角变量（θ），绕X轴（单元座标系下）扭转惯性矩（IXX）及材料属性。

如果IXX没有给定或输入值为0，那系统默认为其等于极惯性矩（IZZ＋IYY）。

IXX一般应给定且其小于极惯性矩。

单元的扭转刚度随着IXX的减小而减小。

参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。

单元的X轴的方向是指从I节点到J节点。

如果只给了两个节点参数，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》。

）

关于单元的初始应变（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。

剪切变形常数（SHARZ和SHEARY）只有当考虑剪切变形时才设定，该值为零时即表示忽略了剪切变形。

KEYOPT

（2）用来控制在大变形分析时是否激活（用命令，[NLGEOM,ON]）相容切线刚度矩阵（也就是，由主切线刚度矩阵加上相容应力矩阵所组成的矩阵）。

打开这项设置则在几何非线性分析时将获得快速收敛，例如在非线性屈曲分析时就可打开该项。

但在分析刚性连结或耦合结点时不能激活该项。

在刚度急剧变化的结构分析中也不应打开该项。

KEYOPT（7）用来控制是否进行不对称回转阻尼矩阵的计算（常用于转子动态分析），所须转动频率在实常数SPIN中输入（单位为：

弧度/时间，正方向为单元X轴正向），且单元本身必须是对称的（如，IYY＝IZZ，SHEARY＝SHEARZ）。

“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。

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：

●        考虑应力硬化时［SSTIF，ON］；

●        一个以上的部件作用有角速度时［OMEGA]；

●        通过命令CGOMGA,DOMEGA,orDCG/MG作用了角速度或加速度时。

BEAM4输入参数汇总：

节点：

I,J，K（K为方向节点，是可选的）

自由度：

UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ

实常数：

AREA,IZZ,IYY,TKZ,TKY,THETA

ISTRN,IXX,SHEARZ,SHEARY,SPIN,ADDMAS

这些实常数的含义见“BEAM4实常数表”

说明：

剪切变形系数＝0，则在单元的Y方向没有剪切变形。

材料属性：

EX,ALPX,DENS,GXY,DAMP

表面荷载：

压力-（括号内为压力正值作用方向）

face1（I-J）（-Z法线方向）

face2（I-J）（－Y法线方向）

face3（I－J）（+X轴切线方向）

face4（I）（+X轴向）

face5（J）（-X轴向）

（如输入的压力为负值表示与几何模型图中方向反向作用）

体荷载：

温度作用 -- T1,T2,T3,T4，T5，T6，T7，T8

特性：

应力强化

大变形

单元生、死

单元选项：

KEYOPT

（2）应力硬化选项：

0――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时仅用于主切线刚度矩阵部分（应力硬化关效应用于线性屈曲分析或用PSTRES激活（即设为ON）后的线性预应力分析中）

1――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时用于相容切线刚度矩阵（即主切线刚度矩阵与相容应力刚度矩阵的和），且此时用于设定非线性问题中考虑应力硬化的选项将被忽略（即SSTIF,ON是无效的），另如SOLCONTROL被设为ON且NLGEOM也为ON时,KEYOPT

（2）会自动被设为1。

2――SOLCONTROL被设为ON时,也不用于相容切线刚度矩阵，这在单元用于通过设定一个大的实常数来仿真刚性体时是必要的。

其实KEYOPT

（2）=2与KEYOPT

（2）=0的意义是一样的,有所区别的是KEYOPT

（2）=0要受SOLCONTROL为ON或OFF的控制,而KEYOPT

（2）=2则不受SOLCONTROL的控制。

KEYOPT（6）控制构件力及弯矩的输出

0――不输出

1――输出单元坐标系下的构件的力与弯矩。

KEYOPT（7）控制“回转阻尼矩阵”

0――不计回转阻尼矩阵

1――计算回转阻尼矩阵，且实常数SPIN必应大于0，IYY＝IZZ。

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

BEAM4实常数表

序号

名称

描　述

1

AREA

横截面积

2

IZZ

惯性矩

3

IYY

惯性矩

4

TKZ

沿Z轴单元厚度

5

TKY

沿Y轴单元厚度

6

THETA

绕X轴的转角

7

ISTRN

初始应变

8

IXX

扭转惯性矩

9

SHEARZ

剪切变形常数Z[1]

10

SHEARY

剪切变形常数Y[2]

11

SPIN

转动频率（当KEYOPT（7）=1时设定）

12

ADDMAS

附加质量/单位长度

1、  SHEARZ与IZZ有关联，如果SHWARZ＝0则表示忽略单元Y方向的剪切变形；

2、  SHEARY与IYY有关连，如果SHWARY＝0则表示忽略单元Z方向的剪切变形。

BEAM4的输出数据:

单元的求解结果总体为以下两部分：

●        节点位移含全部节点解；

●        单元解，细则见“BEAM4单元输出数据一览表”

以下是对“BEAM4应力计算结果示意图”的一些说明：

如图，最大应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之和，最小应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之差。

有关求解输出的总体性介绍请见“SolutionOutput”，而有关结果内容察看的一些方法见“ANSYSBasicAnalysisGuide”

BEAM4应力计算结果示意图

以下“单元输出信息表”中第一列给出了各输出项的名称，用命令ETABLE（POST1）及ESOL（POST26）可定义这些变量用于查询。

第三列表示某一变量值是否在输出文件中给出，第四列某一变量值是否在结果文件中给出。

无论是第三还是第四列，“Y”表示可以输出，列中的具体数值则表示在满足特定条件时才输出，而“－”则表示不输出。

单元输出信息表

名称

定义

O

R

EL

单元号

Y

Y

NODES

单元节点-I,J

Y

Y

MAT

单元材料号

Y

Y

VOLU:

单元体积

-

Y

XC,YC,ZC

输出结果坐标

Y

3

TEMP

积分点上的温度 T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8

Y

Y

PRES

压力P1atnodesI,J;偏移量1atI,J;压力P2atI,J;偏移量2atI,J;压力P3atI,J;偏移量3atI,J;压力P4atI;压力P5atJ

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

MFOR（X,Y,Z）

单元坐标系中X，Y，Z方向的力

2

Y

MMOM（X,Y,Z）

单元坐标系中X，Y，Z方向的弯矩

2

Y

说明：

1、每个单元的节点I，J及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果；

2、如果KEYOPT（6）=1；

3、仅在几何中心作*GET的一个项目可用。

“BEAM4项目和序号表”中列出了在后处理中可通过ETABLE命令加参数及数字序号的方法定义可列表察看的有关变量的细则。

详细参见《ANSYS基本分析指南》中有关“TheGeneralPostprocessor（POST1）”和“TheItemandSequenceNumberTable”部分。

下面是表格“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝0）”到“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝9）”的一些使用说明：

Name

指在“BEAM4单元输出信息表”中的有关变量。

Item

命令ETABLE中使用的参数。

E

单元数据为常数或单值时对应的序号。

I,J

节点I,J所对应的数字序号。

ILN

中间点的的顺序号

BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=0）

OutputQuantityName

（变量名）

ETABLE和ESOL命令输入项

Item

E

I

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

6

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

7

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

8

EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

4

9

EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

5

10

SMAX　最大应力（正应力+弯曲应力）

NMISC

-

1

3

SMIN　最小应力（正应力-弯曲应力）

NMISC

-

2

4

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

6

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

7

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

8

EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

4

9

EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

5

10

EPINAXL单元初始轴向应变

LEPTH

11

-

-

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

MFORZ单元坐标系中Z方向的力

SMISC

-

3

9

MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩

SMISC

-

4

10

MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

SMISC

-

5

11

MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

P1　压力1在节点I,J间

SMISC

-

13

14

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

15

16

P2　压力2在节点I,J间

SMISC

-

17

18

OFFST2压力2距节点偏移量

SMISC

-

19

20

P3　压力3在节点I,J间

SMISC

-

21

22

OFFST3压力3距节点偏移量

SMISC

-

23

24

P4压力4

SMISC

-

25

-

P5压力5

SMISC

-

-

26

PseudoNode（假节点）

1

2

3

4

5

6

7

8

温度

LBFE

1

2

3

4

5

6

7

8

BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=1）

OutputQuantityName

ETABLEandESOLCommandInput

Item

E

I

IL1

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

6

11

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

12

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

13

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

14

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

15

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

11

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

7

12

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

8

13

EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

4

9

14

EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

5

10

15

SMAX　最大应力（正应力+弯曲应力）

NMISC

-

1

3

5

SMIN　最小应力（正应力-弯曲应力）

NMISC

-

2

4

6

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

6

11

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

7

12

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

8

13

EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

4

9

14

EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

5

10

15

EPINAXL单元初始轴向应变

LEPTH

16

-

-

-

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

MFORZ单元坐标系中Z方向的力

SMISC

-

3

9

15

MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩

SMISC

-

4

10

16

MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

SMISC

-

5

11

17

MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

P1　压力1在节点I,J间

SMISC

-

19

-

20

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

21

-

22

P2　压力2在节点I,J间

SMISC

-

23

-

24

OFFST2压力2距节点偏移量

SMISC

-

25

-

26

P3　压力3在节点I,J间

SMISC

-

27

-

28

OFFST3压力3距节点偏移量

SMISC

-

29

-

30

P4压力4

SMISC

-

31

-

-

P5压力5

SMISC

-

-

-

32

PseudoNode

1

2

3

4

5

6

7

8

TEMP

LBFE

1

2

3

4

5

6

7

8

BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=3）

OutputQuantityName

ETABLEandESOLCommandInput

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

6

11

16

21

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

12

17

22

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

13

18

23

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

14

19

24

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

15

20

25

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

11

16

21

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

7

12

17

22

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

8

13

18

23

EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

4

9

14

19

24

EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

5

10

15

20

25

SMAX　最大应力（正应力+弯曲应力）

NMISC

-

1

3

5

7

9

SMIN　最小应力（正应力-弯曲应力）

NMISC

-

2

4

6

8

10

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

6

11

16

21

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

7

12

17

22

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

8

13

18

23

EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

4

9

14

19

24

EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

5

10

15

20

25

EPINAXL单元初始轴向应变

LEPTH

26

-

-

-

-

-

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

19

25

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

20

26

MFORZ单元坐标系中Z方向的力

SMISC

-

3

9

15

21

27

MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩

SMISC

-

4

10

16

22

28

MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

SMISC

-

5

11

17

23

29

MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

24

30

P1　压力1在节点I,J间

SMISC

-

31

-

-

-

32

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

33

-

-

-

34

P2　压力2在节点I,J间

SMISC

-

35

-

-

-

36

OFFST2压力2距节点偏移量

SMISC

-

37

-

-

-

38

P3　压力3在节点I,J间

SMISC

-

39

-

-

-

40

OFFST3压力3距节点偏移量

SMISC

-

41

-

-

-

42

P4压力4

SMISC

-

43

-

-

-

P5压力5

SMISC

-

-

-

-

-

44

PseudoNode

1

2

3

4

5

6

7

8

TEMP

LBFE

1

2

3

4

5

6

7

8

BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=5）

OutputQuantityName

ETABLEandESOLCommandInput

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

IL4

IL5

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

6

11

16

21

26

31

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

12

17

22

27

32

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

13

18

23

28

33

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

14

19

24

29

34

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

15

20

25

30

35

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

11

16

21

26

31

EPELBYT梁