ANSYS-Beam188單元應(yīng)用

1、Beam188/189單元基于Timoshenko梁理論（一階剪切變形理論：橫向剪切應(yīng)變在橫截面上是常數(shù)，也就是說，變形后的橫截面保持平面不發(fā)生扭曲）而開發(fā)的，并考慮了剪切變形的影響，適合于分析從細長到中等粗細的梁結(jié)構(gòu)。該單元提供了無約束和有約束的橫截面的翹曲選項。Beam188是一種3D線性、二次或三次的2節(jié)點梁單元。Beam189是一種3D二次3節(jié)點梁單元。每個節(jié)點有六個或者七個自由度，包括x、y、z 方向的平動自由度和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動自由度，還有一個可選擇的翹曲自由度。該單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動或大應(yīng)變非線性問題。beam188的應(yīng)力剛化選項在任何大撓度分析中都是缺省打開的，從

2、而可以分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題(進行特征值屈曲分析或（采用弧長法或非線性穩(wěn)定法）破壞研究)。Beam188/beam189單元支持彈性、塑性，蠕變及其他非線性材料模型。這種單元還可以采用多種材料組成的截面。該單元還支持橫向剪力和橫向剪應(yīng)變的彈性關(guān)系，但不能使用高階理論證明剪應(yīng)力的分布變化。下圖是單元幾何示意圖：該單元的幾何形狀、節(jié)點位置、坐標體系和壓力方向如圖所示，beam188 由整體坐標系的節(jié)點i 和j 定義。 對于Beam188梁單元，當采用默認的KEYOPT(3)=0，則采用線性的形函數(shù)，沿著長度用了一個積分點，因此，單元求解量沿長度保持不變；當KEYOPT(3)=2，該單元就生成

3、一個內(nèi)插節(jié)點，并采用二次形函數(shù),沿長度用了兩個積分點，單元求解量沿長度線性變化；當KEYOPT(3)=3，該單元就生成兩個內(nèi)節(jié)點，并采用三次形函數(shù),沿長度用了三個積分點，單元求解量沿長度二次變化；當在下面情況下需要考慮高階單元內(nèi)插時，推薦二次和三次選項：1） 變截面的單元；2） 單元內(nèi)存在非均布荷載（包含梯形荷載）時，三次形函數(shù)選項比二次選項提供更好的結(jié)果。（對于局部的分布荷載和非節(jié)點集中荷載情況，只有三次選項有效）；3） 單元可能承受高度不均勻變形時。（比如土木工程結(jié)構(gòu)中的個別框架構(gòu)件用單個單元模擬時）Beam188單元的二次和三次選項有兩個限制：1） 雖然單元采用高階內(nèi)插，但是beam18

4、8的初始幾何按直線處理；2） 因為內(nèi)節(jié)點是不可影響的，所以在這些節(jié)點上不允許有邊界（或荷載或初始）條件。由于這些限制，所以如果beam189模型的中間節(jié)點作用有邊界（或荷載或初始）條件或者中間節(jié)點不在單元中點時，需要注意beam188的二次選項和beam189的差異。同樣，beam188的三次選項不同于傳統(tǒng)三次（Hermitian）梁單元。未變形的狀態(tài)決定了計算扭轉(zhuǎn)作用的St.Venant 翹曲函數(shù)，該翹曲函數(shù)用來定義屈服后的剪應(yīng)變。Ansys在 沒有提供選項來重新計算在分析過程中變形狀態(tài)的橫截面扭轉(zhuǎn)剪力分布和橫截面可能的部分塑性屈服。因此，由扭轉(zhuǎn)作用引起的大的非彈性變形需要謹慎處理和驗證。在

5、這樣的情況下，推薦采用solid 或者shell 單元來模擬。Beam188 可以在沒有方向節(jié)點的情況下被定義。在這種情況下，單元的x 軸方向為i 節(jié)點指向j 節(jié)點。對于兩節(jié)點的情況，默認的y 軸方向按平行x-y 平面自動計算。對于單元平行與z 軸的情況(或者斜度在0.01%以內(nèi))，單元的y 軸的方向平行與整體坐標的y 軸(如圖)。用第三個節(jié)點的選項，用戶可以定義單元的x 軸方向。如果兩者都定義了，那么第三節(jié)點的選項優(yōu)先考慮。第三個節(jié)點(K)，如果采用的話，將和i、j 節(jié)點一起定義包含單元x 軸和z 軸的平面(如圖)。如果該單元采用大變形分析，需要注意這個第三號節(jié)點緊緊在定義初始單元方向的時候

6、有效。Beam188/beam189 提供在積分點和界面節(jié)點輸出的選項。你可以要求緊緊在截面的外表面輸出。(PRSSOL 打印截面節(jié)點和截面積分點結(jié)果。應(yīng)力和應(yīng)變在截面的截面打印，塑性應(yīng)變，塑性作用，蠕變應(yīng)力在截面的積分點輸出。當與單元相關(guān)的材料有非彈性的行為或者當截面的溫度在截面中有變化，基本計算在截面的積分點上運行。對于更多的普通的彈性的運用，單元運用預(yù)先計算好的單元積分點上的截面屬性。無論如何，應(yīng)力和應(yīng)變通過截面的積分點輸出來計算。如果截面指定為ASEC 亞類，僅僅廣義的應(yīng)力和應(yīng)變(軸力、彎距、橫向剪切、彎曲、剪應(yīng)力)能夠輸出。3-D 輪廓線和變形形狀不能輸出。ASEC 亞類緊緊可以作為

7、細矩形來顯示來定義梁的方向。Beam188/beam189 能夠?qū)M合梁進行分析，(例如，那些由兩種或者兩個以上材料復(fù)合而成的簡單的實體梁)。這些組件被假設(shè)為完全固接在一起的。因此，該梁表現(xiàn)為一單一的元件。多材料截面能力僅僅在梁的行為假定(鐵木辛哥或者伯努力歐拉梁理論)成立的時候能運用。用其他的話說，支持簡單的傳統(tǒng)鐵木辛哥梁理論的擴展。在這些地方可能應(yīng)用到：& #8226; 雙層金屬帶& #8226; 帶金屬加固的梁& #8226; 位于不同材料組成的層上的傳感器Beam188/beam189 計算在截面剛度水平上的彎距和扭距的耦合。橫向的剪切也作為一個獨立的量來計算。

8、這對于分層的組合物和夾層量可能會有很大的影響，如果街頭處不平衡。Beam188/189 沒有用高階理論來計算剪切應(yīng)力的變更貢獻，如果這些作用必須考慮的話，就需要運用ANSYS 實體單元。要使beam188/beam189 用于特殊的應(yīng)用，作試驗或者其他的數(shù)值分析。在合適驗證后使用對于組合截面的約束扭曲的選項對于質(zhì)量矩陣和一致荷載向量的賦值，比剛度矩陣使用的規(guī)則更高階積分規(guī)則被使用到。單元支持一致質(zhì)量矩陣和集中質(zhì)量矩陣。用LUMPM，ON 命令來激活集中質(zhì)量矩陣。一致質(zhì)量矩陣時默認使用的。每單位長度的附加質(zhì)量將用ADDMAS 截面控制來輸入，參見"BEAM188 Input Summa

9、ry"。在節(jié)點(這些截面定義了單元的x 軸)上施加力，如果重心軸和單元的x 軸不是共線的，施加的軸力將產(chǎn)生彎距。如果質(zhì)心和剪切中心不是重合的，施加的剪切力將導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲。因而需要設(shè)置節(jié)點在那些你需要施加力的位置?？梢赃m當?shù)氖褂胹ecoffset 命令中的offsety 和offsetz 自變量。默認的，ansys 會使用量單元的質(zhì)心作為參考軸。單元荷載在Node and Element Loads 被描述。壓力可能被作為單元表面力被輸入，就像Figure 188.1: "BEAM188 Geometry"中帶圈的數(shù)字所示。正的壓力指向單元內(nèi)部。水平壓力作為單

10、元長度的力來輸入。端部的壓力作為力輸入。當keyopt(3)=0 的時候(默認)，beam188 基于線性多項式，和其他的基于厄密多項式的單元(例如beam44)不同，一般來說要求網(wǎng)格劃分要細化。當keyopt(3)=2，ansys 增加了一個中間積分點在內(nèi)插值圖標，有效的使得單元成為基于二次型功能的鐵木辛哥梁。這個選項迫切被要求，除非這個單元作為剛體使用，而且你必須維持和一階shell 單元的兼容性。線性變化的彎距被經(jīng)且的表現(xiàn)。二次選項和beam189 相似，有如下的不同：& #8226; 不論是否使用二次選項，beam188 單元最初始的幾何總是直線。& #8226; 你不

11、能讀取中間節(jié)點，所以邊界條件/荷載不能在那些節(jié)點描述。均布荷載是不允許描述偏移的。不支持非節(jié)點的集中力。用二次選項(keyopt (3)=2 當單元大和契型截面相關(guān)。溫度可以作為單元的體力在梁的每個端部節(jié)點的三個位置輸入，單元的溫度在單元的x 軸被輸入(T(0，0),和在離開x 軸一個單元長度的y 軸(T(1，0)， 和在離開x 軸一個單元長度的z 方向(T(0，1)。第一坐標溫度T(0，0) 默認是TUNIF。如果所有的溫度在第一次以后是沒有指明的，那么它們默認的就為第一次輸入的溫度。如果所有i 節(jié)點的溫度均輸入了，j 節(jié)點的都沒有指明，那么j 節(jié)點的溫度默認的是等于i 節(jié)點的溫度。對于其他

12、的輸入模式，沒有指明的溫度默認的是TUNIF。你可以對該單元通過istress 和isfile 命令來定義初始應(yīng)力狀態(tài)。要獲取更多的信息，可以參考ANSYS Basic Analysis Guide的Initial Stress Loading?？梢蕴鎿Q的，你可以設(shè)置keyopt(10)=1 來從用戶的子程序ustress 來讀取出初始應(yīng)力。關(guān)于用戶子程序的詳細資料，參見ANSYS User Programmable Features 的指南。應(yīng)力剛化作用在單元中沒有自動計算，如果對應(yīng)力剛化作用需要非對稱矩陣，使用nropt，unsym。在"BEAM188 Input Summary

13、"給出單元的輸入總結(jié)。BEAM188 Input Summary節(jié)點I, J, K (K, 方向點,可選但被要求)自由度UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ if KEYOPT(1) = 0 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, WARP if KEYOPT(1) = 1 Section Controls截面控制TXZ, TXY, ADDMAS (See SECCONTROLS) (TXZ and TXY default to A*GXZ and A*GXY, respectively, where A = cross-sectional a

14、rea) TXZ 和TXY 默認分別是A×GXZ 和A×GXY，這里A 是截面面積Material Properties材料屬性EX, (PRXY or NUXY), ALPX, DENS, GXY, GYZ, GXZ, DAMP表面力壓力face 1 (I-J) (-z normal direction),face 2 (I-J) (-y normal direction),face 3 (I-J) (+x tangential direction),face 4 (J) (+x axial direction),face 5 (I) (-x direction).(用負

15、數(shù)表示作用方向相反)I 和j 是端節(jié)點體力溫度T(0,0), T(1,0), T(0,1) at each end node特殊特征Plasticity 塑性Viscoelasticity 粘彈性Viscoplasticity 粘彈性Creep 蠕變Stress stiffening 應(yīng)力剛化Large deflection 大撓曲Large strain 大應(yīng)變Initial stress import 初始應(yīng)力引入Birth and death (requires KEYOPT(11) = 1) 單元的生死(要求keyopt(11)=1) Automatic selection of el

16、ement technology 自動選擇單元技術(shù)。支持下列用TB 命令相關(guān)的數(shù)據(jù)表種類: BISO,MISO, NLISO, BKIN, MKIN, KINH, CHABOCHE, HILL, RATE, CREEP, PRONY,SHIFT, CAST, and USER.Note對于材料模型細節(jié)可以參見ANSYS, Inc. Theory Reference 對于更多的關(guān)許單元技術(shù)選擇的信息可以參見Automatic Selection of Element Technologies 和ETCONTROLKEYOPT(1)扭轉(zhuǎn)自由度0 -默認;六個自由度，不限制扭轉(zhuǎn)1 -7 個自由度(包

17、括扭轉(zhuǎn))， 雙力矩和雙曲線被輸出KEYOPT(2)截面縮放比例0 -默認;截面因為軸線拉伸效應(yīng)被縮放;當大變形開關(guān)打開的時候被調(diào)用。1 -截面被認為是剛性的(經(jīng)典梁理論)KEYOPT(3)插值數(shù)據(jù)0 -默認;線性多項式。要求劃分細致。2 -二次型(對于鐵木辛哥梁單元有效)運用中間節(jié)點(中點點用戶無法修改)來提高單元的精度，能夠精確的表示線性變化的彎距。KEYOPT(4)剪應(yīng)力輸出0 -默認;僅僅輸出扭轉(zhuǎn)相關(guān)的剪應(yīng)力1 -僅僅輸出彎曲相關(guān)的橫向剪應(yīng)力。2 -緊緊輸出前兩種方式的組合狀態(tài)。KEYOPT(6)在單元積分點輸出控制0 -默認;輸出截面力、應(yīng)變、和彎距1 -和keyopt(6)=0 相同

18、，加上當前的截面單元2 -和keyopt(6)=1 相同加上單元基本方向(X、Y、Z)3 -輸出截面力、彎距和應(yīng)力、曲率，外推到單元節(jié)點。Note僅僅當outpr ,esol 是激活狀態(tài)的時候，Keyopt(6)通過keyopt(9) 來激活。當keyopt(6) 、(7)、(8)和(9) 都激活的時候，在單元輸出中的應(yīng)變是總應(yīng)變。這個“總”包括溫度應(yīng)變。當單元材料是有塑性的時候，能夠提供塑性應(yīng)變和塑性作業(yè)。在/post1，可替換的運用prssol 命令。KEYOPT(7)輸出控制在截面積分點(當截面的亞類為ASEC 的時候不可用)0 -默認;無1 -最大和最小應(yīng)力、應(yīng)變2 -和keyopt(

19、7)=1 相同，加上每個截面點山的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(8)輸出控制在截面節(jié)點(當截面亞類為ASEC 的時候不可用)0 -默認;無1 -最大和最小應(yīng)力、應(yīng)變2 -和keyopt(8)=1 相同，加上沿著截面外表面的應(yīng)力和應(yīng)變。3 -和keyopt(8)=1 相同，加上每個截面節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(9)在單元節(jié)點和截面節(jié)點外推數(shù)值用的輸出控制(當節(jié)點亞類為ASEC 的時候不可用)0 -默認;無1 -最大和最小應(yīng)力、應(yīng)變2 -和keyopt(9)=1 相同，加上沿著截面外邊緣的應(yīng)力應(yīng)變3 -和keyopt(9)=1 相同，加上所有截面節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(10)用戶定義初始

20、應(yīng)力0 -無用戶子程序來提供初始應(yīng)力(默認)1 -從用于子程序ustress 來讀取初始應(yīng)力。Note參考Guide to ANSYS User Programmable Features幫助用戶書寫子程序。KEYOPT(11)設(shè)置截面屬性0 -自動計算是否能夠提前積分截面屬性。(默認)1 -用戶單元數(shù)值積分(在生/死功能的時候要求)KEYOPT(12)契型截面處理0 -線性變化的契型截面分析;截面屬性在每個積分點計算(默認)， 這種方法更加精確，但是計算量大。1 -平均截面分析;對于契型截面單元，截面屬性僅僅在中點計算。這是劃分網(wǎng)格的階數(shù)的估計，但是，速度快。Beam188 的輸出數(shù)據(jù)這種單

21、元用兩種方式計算輸出& #8226; 節(jié)點唯一和反應(yīng)包括全部節(jié)點的計算。& #8226; 附加的單元輸出在Table 188.1: "BEAM188 Element Output Definitions" 描述。在需要的地點，ansys 要求keyopt(8)=2 和keyopt(9)=2，參考ANSYS Basic Analysis Guide來找到查看結(jié)果的方法。要看beam188 的3-D 變形形狀，運用OUTRES,MISC 或者OUTRES 命令，所有的靜態(tài)和瞬態(tài)分析的命令。要觀察模態(tài)分析和特征值屈曲分析的3-D 模態(tài)形狀，必須用激活單元結(jié)果擴展模

22、態(tài)(MXPAND 命令Elcalc=YES 的選項)對于梁設(shè)計很常規(guī)的是使用軸力成分，軸力由軸向荷載和在各個端點的彎曲獨立提供。因此，beam188 提供線性的應(yīng)力輸出作為它的SMISC 輸出命令的一部分，由下面的定義來指示：SDIR 是軸力引起的應(yīng)力分量。SDIR=FX/A，這里FX 是軸力(SMISC 的數(shù)值為1 和14)，A 表示截面面積。SBYT 和SBYB 是彎曲應(yīng)力分量。SBYT = -MZ * ymax / IzzSBYB = -MZ * ymin / IzzSBZT = MY * zmax / IyySBZB = MY * zmin / Iyy這里MY、MZ 是彎距(SMISC

23、 數(shù)值是2、15、3、16)。坐標ymax, ymin, zmax, 和 zmin 是y 和z 坐標的最大和最小值。數(shù)值Iyy 和Izz 是截面慣性距。對于ASEC 梁截面，ANSYS 用最大和最小截面尺度，對于ASEC 種類的截面，最大最小的Y 和Z 方向直接分別假定在+0.5 到-0.5。單元應(yīng)力的相應(yīng)定義：EPELDIR = EX EPELBYT = -KZ * ymaxEPELBYB = -KZ * yminEPELBZT = KY * zmaxEPELBZB = KY * zmin這里EX、KY 和KZ 是總應(yīng)力和曲率(SMISC 數(shù)值是7,8,9, 20,21 和22)輸出的應(yīng)力僅

24、僅對于單元的彈性行為嚴格有效。Beam188 總是組合應(yīng)力來支持非線性材料的行為。當單元和非線性材料相關(guān)的時候，組合應(yīng)力最好作為線性近似來對待，應(yīng)該謹慎的說明。單元運用以下符號輸出定義表格：在name 列的冒號表示該項目可以通過構(gòu)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(jié)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(shù)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。Beam188/beam189 基于三應(yīng)力成分的表述。.單軸.雙向剪切成分剪切應(yīng)力由扭轉(zhuǎn)和橫向荷載引起。Beam188/beam189 基于一階剪切變形理論，和廣泛知道的鐵木辛哥梁理論。橫向剪切應(yīng)變對于截面是常數(shù)，因此基于橫向剪應(yīng)力剪切能量。建立通過提前確定的梁橫截面剪應(yīng)力分布系數(shù)重新分布，可以用于輸出的目的。默認的，ansys 將僅僅輸出扭轉(zhuǎn)荷載導(dǎo)致的剪應(yīng)力，keyopt(4) 用來激活由屈曲和橫向荷載引起的剪切應(yīng)力的輸出。橫向剪應(yīng)力的分布的精度和截面模型的單元劃分精度直接