第七章ansys梁单元分析和横截面形状doc.docx

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第七章梁分析和横截面形状

7.1梁分析概况

梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。

与实体单元和壳单元相比，梁单元求解效率更高。

本章的内容只适用于BEAM44（三维变截面单元）和另两种有限元应变单元BEAM188和BEAM189（三维梁单元）。

这些梁单元与ANSYS的其他梁单元相比，提供了更健壮的非线性分析能力，显著地改进了截面数据定义功能和可视化特性。

参阅《ANSYSElementsReference》中关于BEAM44、BEAM188和BEAM189单元的描述。

注意--如要对BEAM44单元采用本章论述的横截面定义功能，必须清楚不能应用这些功能来定义斜削的截面。

此外，本章所述的后处理可视化功能不能应用于BEAM44单元。

注意--用户定义横截面功能可能不能应用CDWRITE命令。

7.2何为横截面

　　横截面定义为垂直于梁轴的截面的形状。

ANSYS提供有11种常用的梁横截面库，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节点的数值模型来确定梁的截面特性（Iyy，Izz等），并求解泊松方程得到扭转特征。

　　图7-1是一个标准的Z型横截面，示出了截面的质心和剪切中心，以及计算得到的横截面特性。

图7-1Z型横截面图

　　横截面和用户自定义截面网格将存储在横截面库文件中。

如果用BEAM44、BEAM188、BEAM189单元来模拟线实体，可用LATT命令将梁横截面属性赋予线实体。

7.3如何生成横截面

　　用下列步骤生成横截面：

　　1、定义截面并与代表相应截面形状的截面号（DectionID）关联。

　　2、定义截面的几何特性数值。

　　ANSYS提供了表7-1所列出的命令，可以完成横截面生成、查看、列表和操作横截面库的功能。

表7-1ANSYS横截面命令

命令

GUI菜单路径

目的

PRSSOL

MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>

SectionSolutionUtilityMenu>

List>Results>SectionSolution

打印梁截面结果（BEAM44不支持）

SECTYPE

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu>

Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh

用SEID关联截面子类型

SECDATA

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns

定义截面几何数据

SECOFFSET

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu>

Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh

定义梁截面的截面偏离

SECCONTROLS

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-Add/Edit

覆盖程序计算的属性值

SECNUM

MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribsMainMenu>

Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>ElemAttributes

识别关联到一个单元的SECID

SECPLOT

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-PlotSection

按比例显示梁截面的几何形状

SECWRITE

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh

建立一个包含用户网格自定义截面的ASCII文件

/SECLIB

MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>LibraryPath

设置SECREAD缺省截面库路径

SECREAD

MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>

ImportLibraryMainMenu>Preprocessor>Sections>

-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh

读入用户定义的截面库、网格、自定义截面

SLIST

MainMenu>Preprocessor>Sections>ListSectionsUtilityMenu>

List>Properties>SectionPropertiesUtilityMenu>List>Properties>

SpecifiedSectionProperties

汇总截面特性

SDELETE

MainMenu>Preprocessor>Sections>DeleteSection

删除横截面

参阅《ANSYSCommandsReference》可以得到横截面命令的完整描述。

7.3.1定义截面并与截面号关联

使用SECTYPE命令定义截面并与截面号关联。

下面的命令将截面号2与已定义的横截面形状（圆柱体）关联：

　　命令：

SECTYPE,2,BEAM,CSOLID

　　GUI:

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns

　　要定义自己的横截面，使用子形状（ANSYS提供的形状集合）MESH。

要定义带Iyy和Izz的横截面，使用子形状ASEC。

7.3.2定义横截面几何特性和设置截面属性点

　　接着如上所示的SECTYPE命令之后，使用SECDATA命令来定义横截面的几何特性。

注意CSOLID子形状有两个尺寸：

半径和沿周向的格数。

这样，下面的SECDATA命令指定圆截面梁的半径为5，周向的格数为8。

通过SECNUM命令设置截面的属性点为2。

命令：

SECDATA,5,8

SECNUM,2

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns

MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribs

7.3.2.1确定要定义的格数

通常，在建立横截面时，用户不需要设置格数。

ANSYS将通过缺省的积分规则，计算截面值，如截面面积、对坐标轴的惯性矩，并将得出数值上精确的结果。

由于扭转常数从网格中导出，所以扭转常数的精度，与截面网格尺寸成正比。

ANSYS应用的缺省网格的精度符合工程应用要求。

对于常用的截面，可用两种方法指定网格尺寸。

应用[SECTYPE,REFINEKEY]来设置薄璧截面的网格加密水平（CTUBE,CHAN,I,Z,L,T,HATS,HREC）。

应用SECDATA命令指定实体截面（RECT,QUAD,CSOLID）的划分数。

薄璧截面在厚度上最少有2个积分点，所以应用薄璧截面所得到的结果，对于材料非线性分析，应当是可接受的。

但是，在进行塑性分析时，对于实体截面的缺省格数可能需要改变。

下面是ANSYS生成的实体截面网格，以及用户可能希望用它们进行的分析类型。

图7-2截面网格的类型

7.3.3用BEAM44,BEAM188,BEAM189单元模拟线模型

在用BEAM44、BEAM188、BEAM189单元划分线实体前，要定义一些属性，包括：

生成梁单元的材料设置属性点；

要划分线的梁单元类型；

以梁单元的轴向为基准的截面定位；参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》§7.5.2；

生成梁单元的截面号。

　　使用LATT命令将这些属性与选择的线实体关联：

　　命令：

LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID

　　GUI:

MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>PickedLines

其中：

　　MAT--与所选择的尚未划分网格的线关联的材料号；

　　TYPE--与所选择的尚未划分网格的线关联的类型号；

　　KB--对应于模型中的关键点号。

所生成的梁单元的横截面按这样定向，梁的Z轴将位于由线的两端点和该关键点定义的平面；

　　SECID--与SECTYPE命令定义的梁横截面相对应，截面号由SECNUM指定。

7.4建立截面

有两类梁截面：

一般截面；

自定义截面。

自定义截面可用标准的几何形状和单个材料来描述。

自定义截面可由任意几何形状定义，还可以包含若干各向同性材料。

7.4.1使用梁工具生成通用横截面

　　SECTYPE、SECDATA和SECOFFSET命令（MainMenu>Preprocessor>-Beam-CommonSectns），都与GUI上的梁工具（BEAMTOOL）关联。

梁工具的样式取决于所选择的梁横截面子形状：

图7-3梁工具对话框（包括子类型下拉框）

　　梁工具的顶部，是截面形状号（以及截面名）[SECTYPE]，中部是需要时定义截面偏移的信息[SECOFFSET]，底部是截面几何形状信息[SECDATA]。

SECDATA命令定义的尺寸取决于所选子类型。

可以单击梁工具下的Help按钮获取所选截面的帮助信息。

在SECDATA命令描述中，也有对截面形状尺寸的说明。

7.4.2通过用户定义网格建立自定义截面

　　如果用户要定义不常用的截面，必须建立用户网格文件。

为了建立用户网格文件，首先要建立一个2D实体模型，然后用SECWRITE命令保存（MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh）。

下面讨论这一过程：

　　1、建立所有的区域（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-）。

2、把区域重叠（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Booleans-Overlap>Areas），或粘合在一起（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Booleans-Glue>Areas）。

3、保存模型。

4、对所有线设置划分数（MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-Lines-PickedLinesorusetheMeshTool）。

5、选择“MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh”，出现拾取框，拾取格子的面。

6、ANSYS在该面建立格子。

在分网期间，ANSYS可能显示不佳形状的信息，可以忽略这些信息。

但是也可能看到“Unabletomesharea....”信息。

如果这样，把所有面上的单元清除（MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Clear>Areas），并重复第4、5步。

7、在“WriteSectionLibraryFile”对话框中，用一个唯一的文件名保存“.SECT”文件。

然后按“OK”。

8、读入用户网格文件（MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh），计算截面特性。

注意--即使已经设置了LESIZE,也将看到这样的信息：

“Lineelementsizesmayneedtobespecifiedfordesiredcross-sectionmesh.PleaserefertotheLESIZEcommand.”如果已经设置了线单元的尺寸，按“Close”继续。

如果还未设置，则应用LESIZE命令及合适的信息。

7.4.3用网格加密和多种材料建立自定义截面

在进行分析时，用户可能需要加密截面网格。

可以定义含多种材料的截面来代表层状、加筋、或传感器。

在定义一个多种材料的截面时，需要指定每一个截面格子的材料，也可以取出以前建立的截面来修改。

按如下步骤建立自定义的加密网格或含多种材料的截面：

1、从ANSYS数据库读入一个常用截面（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>EditCommon），或者从“.SECT”文件读入自定义截面（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>EditCustom）。

2、ANSYS在图形窗口显示MESH200图。

3、对截面网格进行加密（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>RefineMesh）。

4、修正格子材料（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>ModifyMaterial），如果要建立多种材料的截面，先定义材料。

这是计算剪切修正系数和材料质心所需要的。

5、用SECWRITE命令（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustonSectns>Edit/Built-up>Save），把截面保存为一个“.SECT”文件。

6、读入用户网格文件（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>ReadSectMesh），计算截面特性以及在分析中应用自定义截面。

注意--如果用户在建立截面后，重新定义材料，必须再用SECTYPE和SECREAD命令重新计算截面。

注意—当截面含多种材料，并且通过/ESHAPE命令来产生应力等值线（或其他量）时，应力将通过材料边界平均。

为了限制这种行为，在材料边界上采用小的横截面格子。

7.4.4定义复合截面

复合截面是指最少包含两种材料和用户定义网格的截面。

在建立复合截面时，要在执行SECTYPE和SECDATA命令前定义材料。

这是计算剪力修正系数、材料质心和剪切中心所需要的。

注意--如果在建立截面后，重新定义材料，必须应用SECDATA命令重新计算截面。

用户可以把复合截面保存为自定义截面。

参见§7.4。

7.5管理横截面和用户网格库

常用截面的数据如CHAN和RECT可以保存在截面库中。

为了建立标准的截面以备后用，可以建立一个或多个截面，编辑Jobname.LOG文件，并把合适的SECTYPE,SECDATA,和SECOFFSET命令拷贝到扩展名为“.SECT”的各个文件中。

这些预定义的截面，以后可用/SECLIB命令（MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>ImportLibrary）读入模型。

7.6横向扭转屈曲分析实例（GUI方式）

可以用BEAM188和BEAM189单元来模拟直梁的弯曲和剪切，也可以模拟梁的横向扭转屈曲。

为了建立这一模型，需要建立足够密的梁单元网格。

典型地，需要用一系列的梁单元来模拟一根直梁。

如图7-4所示。

图7-4悬臂梁的横向扭转屈曲

悬臂梁的横向扭转屈曲，用60个BEAM188单元模拟（通过/ESHAPE显示）

　　《ANSYSStructuralAnalysisGuide》§7详细叙述了屈曲分析。

本例分析悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。

7.6.1问题描述

　　一根直的细长悬臂梁，一端固定一端自由。

在自由端施加载荷。

本模型做特征值屈曲分析，并进行非线性载荷和变形研究。

研究目标为确定梁发生支点失稳（标志为侧向的大位移）的临界载荷。

参见图7-5。

7.6.2问题特性参数

　　材料特性：

杨氏模量=1.0X10e4psi；泊松比=0.0。

几何特性：

L=100in；H=5in；B=2in。

载荷为：

P=1lb。

7.6.3草图

图7-5梁的变形

7.6.4特征值屈曲和非线性破坏分析

特征值屈曲分析是线性分析，通常仅适用于弹性结构。

通常在小于特征值屈曲分析得到的临界载荷之前发生材料屈服。

这种分析比完全非线性屈曲分析所需的求解时间要少。

　　用户还可以用弧长法做非线性载荷-位移研究，这时用弧长法确定临界载荷。

对于更一般的情况，需要进行破坏分析。

　　模型有缺陷时，必须做非线性破坏分析，因为完美模型不会表现出显著的屈曲。

可以通过使用特征值分析得到的特征向量，来加入缺陷。

求得的特征向量是对实际屈曲模态最接近的预测。

添加的缺陷与梁的典型厚度相比，应为小量。

缺陷删除了载荷-位移曲线的突变部分。

通常情况下，缺陷最大值为梁厚度的1%～10%。

UPGEOM命令在前一步分析的基础上添加位移，并把几何形状更新到变形后的形状。

7.6.5设置分析名称和定义模型的几何实体

　　1、选择菜单“UtilityMenu>File>ChangeTitle”。

　　2、输入“LateralTorsionalBucklingAnalysis”并单击OK。

　　3、定义关键点。

选择“MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS”，输入下表所示的关键点号和坐标：

关键点号

X坐标

Y坐标

Z坐标

按这个按钮接受

1

0

0

0

Apply

2

100.0

0

0

Apply

3

50

5

0

OK

　4、在关键点1和2之间建立直线。

选择MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>StraightLine，出现“CreateStraightLinepicker”窗口，在图形窗口中拾取关键点1和2，然后按“OK”。

　　5、保存模型。

选择UtilityMenu>File>SaveAs。

将文件名存为“buckle.DB”，并单击OK。

7.6.6定义单元类型和横截面信息

1、选择“MainMenu>Preferences”，单击“Structural”检查框。

按“OK”。

2、选择“MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete”。

出现“ElementTypes”对话框。

3、单击“Add...”。

出现“LibraryofElementTypes”对话框。

　　4、在左列选择“StructuralBeam”。

　　5、在右列选择“3Dfinitestrain,3node189”以选中BEAM189。

7、定义梁的矩形截面。

选择“MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSects”。

出现“BeamTool”对话框。

缺省时ANSYS将截面号设置为1，将子类型设置为RECT（在子类型处图示一个矩形）。

因为是矩形横截面，在子类型处不需要修改。

　　8、在“BeamTool”对话框的底部，可以看到横截面形状和尺寸的图示。

在B标志的部分输入0.2作为横截面的宽度；在H标志的部分输入5.0作为横截面的高度。

按“OK”。

　　9、通过“BeamTool”对话框显示当前截面特性。

按“Preview”。

在图形窗口显示截面图和数据汇总。

按“Meshview”查看截面网格。

按“Close”。

7.6.7定义材料特性和定位节点

　　1、选择“MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”。

出现“DefineMaterialModelBehavior”对话框。

2、在“MaterialModelsAvailable”窗口右侧，双击“Structural->Linear->Elastic->Isotropic”，出现一个对话框。

　　3、输入弹性模量EX=1.0E4。

　　4、输入PRXY=0.0，并按“OK”。

现在左侧出现“MaterialModelNumber1”。

5、选择“Material>Exit”。

　　6、选择“UtilityMenu>Plot>Lines”重新画线。

7、选择线，定义线的定向属性。

选择“MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>PickedLines.”。

出现“LineAttributes”拾取框。

在图形窗口选择线，然后在“LineAttributes”中按“Apply”。

　　8、出现“LineAttributes”对话框。

缺省时，ANSYS将材料特性指向1，将单元类型号指向1，并将截面特性号指向1。

按“PickOrientationKeypoint（s）”边的单选框，使它为“YES”，然后按“OK”。

　　9、再次出现“LineAttributes”对话框。

在ANSYS图形窗口输入3，并按回车。

最后在对话框中按“OK”。

　　10、存储模型。

选择“UtilityMenu>File>SaveAs”。

如还未保存为“buckle.db”，则选择之。

如果已经存在“buckle.db”，当ANSYS询问是否覆盖时，按“OK”。

7.6.8对线划分网格并确认梁的定位

　　1、定义网格尺寸和分段数。

选择“MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-Lines-AllLines”。

在“No.ofElementDivisions”中输入10，按“OK”。

　　2、对线划分网格。

选择“MainMenu>Preprocessor>MeshTool”。

在MeshTool中按“MESH”，出现“MeshLinespicker”对话框。

在图形窗口选择线。

然后在对话框中按“OK”。

最后在MeshTool中按“Close”。

3、旋转划分好网格的线。

选择“UtilityMenu>PlotCtrls>PanZoom,Rotate”。

出现“Pan,Zoom,Rotate”对话框。

选择ISO并按“Close”。

图形窗口中梁将旋转。

4、确认梁的定位。

选择“UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Size&Shape”。

选择/ESHAPE旁边的单选按钮使之打开，并按“OK”。

7.6.9定义边界条件

1、定义固定端的边界条件。

选择“MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnKeypoint