最新ANSYS-Beam188單元應(yīng)用

1、精品文檔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?cè)跈M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(xì)長到 中等粗細(xì) 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(xiàng)。Beam188是一種 3D線性、二次或三次的 2節(jié)點(diǎn)梁單元。 Beam189是一種 3D二次3節(jié)點(diǎn)梁單元。 每個(gè) 節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度，包括x、y、 z 方向的平動(dòng)自由度和繞 x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，還有一個(gè)可選擇的翹曲自由度。該單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)或大應(yīng)變非線性問題。beam188的應(yīng)力剛化選項(xiàng)

2、在任何大撓度分析中都是缺省打開的，從而可以分析彎曲、橫向及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題 （進(jìn)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(diǎn)位置、坐標(biāo)體系和壓力方向如圖所示， beam188 由整體 坐標(biāo)系的節(jié)點(diǎn) i 和 j 定義。對(duì)于 Beam188 梁單元，當(dāng)采用默認(rèn)的 KEYOPT（3）=0 ，則采用線性的形函數(shù)，沿著長度用了一個(gè)積分點(diǎn)， 因此，單元

3、求解量沿長度保持不變；當(dāng) KEYOPT（3）=2 ，該單元就生成一個(gè)內(nèi)插節(jié)點(diǎn)，并采用二次形函數(shù) 沿長度用了兩個(gè)積分點(diǎn)，單元求解量沿長度線性變化；當(dāng) KEYOPT（3）=3 ，該單元就生成兩個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，并 采用三次形函數(shù) ,沿長度用了三個(gè)積分點(diǎn)，單元求解量沿長度二次變化；當(dāng)在下面情況下需要考慮高階單元內(nèi)插時(shí)，推薦二次和三次選項(xiàng)：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(shí)，三次形函數(shù)選項(xiàng)比二次選項(xiàng)提供更好的結(jié)果。（對(duì)于局 部的分布荷載和非節(jié)點(diǎn)集中荷載情況，只有三次選項(xiàng)有效）；3）單元可能承受高度不均勻變形時(shí)。（比如土木工程結(jié)構(gòu)中的個(gè)別框架構(gòu)件用單個(gè)單元模擬時(shí)）Beam188 單元的

4、二次和三次選項(xiàng)有兩個(gè)限制：1） 雖然單元采用高階內(nèi)插，但是 beam188 的初始幾何按直線處理；2） 因?yàn)閮?nèi)節(jié)點(diǎn)是不可影響的，所以在這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)作用有邊界（或荷載或初始）條件或者中間節(jié)點(diǎn)不在 單元中點(diǎn)時(shí)，需要注意 beam188 的二次選項(xiàng)和 beam189 的差異。同樣， beam188 的三次選項(xiàng)不同于傳統(tǒng) 三次（ Hermitian ）梁單元。未變形的狀態(tài)決定了計(jì)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(xiàng)來重新計(jì)算在分析過程中變形狀態(tài)的

5、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(jǐn)慎處理和驗(yàn)證。在這樣的情況下，推薦采用 solid 或者 sh ell 單元來模擬。Beam188 可以在沒有方向節(jié)點(diǎn)的情況下被定義。在這種情況下，單元的 x 軸方向?yàn)?i 節(jié)點(diǎn)指向 j 節(jié) 點(diǎn)。對(duì)于兩節(jié)點(diǎn)的情況，默認(rèn)的 y 軸方向按平行 x-y 平面自動(dòng)計(jì)算。對(duì)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(biāo)的 y 軸（如圖 ）。用第三個(gè)節(jié)點(diǎn)的選項(xiàng)，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(diǎn)的選項(xiàng)優(yōu)先考慮。 第三個(gè)節(jié)點(diǎn) （K）

6、 ，如果采用的話， 將和 i、j 節(jié)點(diǎn)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(gè) 第三號(hào)節(jié)點(diǎn)緊緊在定義初始單元方向的時(shí)候有效。Beam188/beam189 提供在積分點(diǎn)和界面節(jié)點(diǎn)輸出的選項(xiàng)。你可以要求緊緊在截面的外表面輸出。 （PR SSOL 打印截面節(jié)點(diǎn)和截面積分點(diǎn)結(jié)果。應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诮孛娴慕孛娲蛴?，塑性?yīng)變，塑性作用，蠕變應(yīng)力 在截面的積分點(diǎn)輸出。當(dāng)與單元相關(guān)的材料有非彈性的行為或者當(dāng)截面的溫度在截面中有變化， 基本計(jì)算在截面的積分點(diǎn)上 運(yùn)行。對(duì)于更多的普通的彈性的運(yùn)用，單元運(yùn)用預(yù)先計(jì)算好的單元積分點(diǎn)上的截面屬性。無論如何，應(yīng)力 和應(yīng)變通過

7、截面的積分點(diǎn)輸出來計(jì)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 亞類緊緊可以作為細(xì)矩形來顯示來定義梁的方向。Beam188/beam189 能夠?qū)M合梁進(jìn)行分析， （例如，那些由兩種或者兩個(gè)以上材料復(fù)合而成的簡單的 實(shí)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(shí)候能運(yùn)用。 用其他的話說，支持簡單的傳統(tǒng)鐵木辛哥梁理論的擴(kuò)展。在這些地方可能應(yīng)用到：& #8226; 雙層金

8、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(jì)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(gè)獨(dú)立的量來 計(jì)算。這對(duì)于分層的組合物和夾層量可能會(huì)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(jì)算剪切應(yīng)力的變更貢獻(xiàn)， 如果這些作用必須考慮的話， 就需要運(yùn)用 ANSYS 實(shí)體單元。要使 beam188/beam189 用于特殊的應(yīng)用，作試驗(yàn)或者其他的數(shù)值分析。在合適驗(yàn)證后使用對(duì)于組合 截面的約束扭曲的選項(xiàng)對(duì)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

9、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(shí)默認(rèn)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 Summary" 。在節(jié)點(diǎn) （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(diǎn)在 那些你需要施加力的位置?？梢赃m當(dāng)?shù)氖褂?secoffset 命令中的 offsety 和 offsetz 自變量。默認(rèn)的， ansys 會(huì)使

10、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。 水平壓力作為單元長度的力來輸入。 端部的壓力作為力輸入。當(dāng) keyopt（3）=0 的時(shí)候 （默認(rèn) ）， beam188 基于線性多項(xiàng)式，和其他的基于厄密多項(xiàng)式的單元（例如 beam44）不同，一般來說要求網(wǎng)格劃分要細(xì)化。當(dāng) keyopt（3）=2 ， ansys 增加了一個(gè)中間積分點(diǎn)在內(nèi)插值圖標(biāo)，有效的使得單元成為基于二次型功能的 鐵

11、木辛哥梁。這個(gè)選項(xiàng)迫切被要求，除非這個(gè)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(xiàng)和 beam189 相似，有如下的不同：& #8226; 不論是否使用二次選項(xiàng)， beam188 單元最初始的幾何總是直線。& #8226; 你不能讀取中間節(jié)點(diǎn)，所以邊界條件 / 荷載不能在那些節(jié)點(diǎn)描述。 均布荷載是不允許描述偏移的。不支持非節(jié)點(diǎn)的集中力。用二次選項(xiàng) （keyopt （3）=2 當(dāng)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(gè)端部節(jié)點(diǎn)的三個(gè)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

12、 x 軸一個(gè)單元長度的 y 軸(T(1，0)， 和在離開 x 軸一個(gè)單元長度的 z 方向 (T(0 ，1) 。第一 坐標(biāo)溫度 T(0，0) 默認(rèn)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(rèn)的就為第一 次輸入的溫度。如果所有 i 節(jié)點(diǎn)的溫度均輸入了， j 節(jié)點(diǎn)的都沒有指明，那么 j 節(jié)點(diǎn)的溫度默認(rèn)的是等于 i 節(jié)點(diǎn)的溫度。對(duì)于其他的輸入模式，沒有指明的溫度默認(rèn)的是TUNIF 。你可以對(duì)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 ANSY S Basic Analysis Guide 的 Initial Stress

13、 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(xì)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(dòng)計(jì)算，如果對(duì)應(yīng)力剛化作用需要非對(duì)稱矩陣，使用nropt， unsym。在"BEAM188 Input Summary" 給出單元的輸入總結(jié)。BEAM188 Input Summary節(jié)點(diǎn)I, J, K (K, 方向點(diǎn) ,可選但被要求 )自由度UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ if KEYOPT(

14、1) = 0 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, WA RP 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, res pectively, where A = cross-sectional area) TXZ 和 TXY 默認(rèn)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), A

15、LPX, 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(fù)數(shù)表示作用方向相反 )I 和 j 是端節(jié)點(diǎn)體力溫度T(0,0), T(1,0), T(0,1) at each end node特殊特征Plasticity 塑性Viscoelasticit

16、y 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 element technology 自動(dòng)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, B KIN, MKIN, KINH, CHABO

17、CHE, HILL, RATE, CREEP, PRONY,SHIFT, CAST, and USER.Note對(duì)于材料模型細(xì)節(jié)可以參見 ANSYS, Inc. Theory Reference 對(duì)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(rèn) ;六個(gè)自由度，不限制扭轉(zhuǎn)1 -7 個(gè)自由度 ( 包括扭轉(zhuǎn) ) ， 雙力矩和雙曲線被輸出KEYOPT(2)截面縮放比例0 -默認(rèn) ;截面因?yàn)檩S線拉伸效應(yīng)被縮放 ;當(dāng)大變形開關(guān)打開的時(shí)候被調(diào)用。1 -截面被認(rèn)為是剛

18、性的 (經(jīng)典梁理論 )KEYOPT(3)插值數(shù)據(jù)0 -默認(rèn) ;線性多項(xiàng)式。要求劃分細(xì)致。2 -二次型 (對(duì)于鐵木辛哥梁單元有效 )運(yùn)用中間節(jié)點(diǎn) (中點(diǎn)點(diǎn)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(rèn) ;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(diǎn)輸出控制0 -默認(rèn) ;輸出截面力、應(yīng)變、和彎距1 -和 keyopt(6)=0 相同，加上當(dāng)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

19、，外推到單元節(jié)點(diǎn)。Note僅僅當(dāng) outpr ,esol 是激活狀態(tài)的時(shí)候， Keyopt(6) 通過 keyopt(9) 來激活。當(dāng) keyopt(6) 、(7)、(8)和 (9) 都激活的時(shí)候，在單元輸出中的應(yīng)變是總應(yīng)變。這個(gè)“總 ”包括溫度應(yīng)變。當(dāng)單元材料是有塑性的時(shí)候，能夠提供塑性應(yīng)變和塑性作業(yè)。在 /post1，可替換的運(yùn)用 prssol 命令。KEYOPT(7)輸出控制在截面積分點(diǎn) (當(dāng)截面的亞類為 ASEC 的時(shí)候不可用 )0 -默認(rèn) ;無1 -最大和最小應(yīng)力、應(yīng)變2 -和 keyopt(7)=1 相同，加上每個(gè)截面點(diǎn)山的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(8)輸出控制在截面節(jié)點(diǎn) (當(dāng)截面

20、亞類為 ASEC 的時(shí)候不可用 )0 -默認(rèn) ;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(gè)截面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(9)在單元節(jié)點(diǎn)和截面節(jié)點(diǎn)外推數(shù)值用的輸出控制(當(dāng)節(jié)點(diǎn)亞類為 ASEC 的時(shí)候不可用 )0 - 默認(rèn) ;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(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變。KEYOPT(10) 用戶定義初始應(yīng)力0 -無用戶子程序來提供初始應(yīng)力 (默認(rèn) )1 -從用于子程

21、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(dòng)計(jì)算是否能夠提前積分截面屬性。（默認(rèn) ）1 -用戶單元數(shù)值積分 （在生 /死功能的時(shí)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(gè)積分點(diǎn)計(jì)算 （默認(rèn) ）， 這種方法更加精確，但是計(jì)算量大。1 -平均截面分析 ;對(duì)于契型截面單元，截面屬性僅僅在中點(diǎn)計(jì)算。這是劃分網(wǎng)格的階數(shù)的估計(jì)，但是， 速度快。Beam188 的輸出數(shù)據(jù)這種單元用兩種方式計(jì)算輸出& #8

22、226; 節(jié)點(diǎn)唯一和反應(yīng)包括全部節(jié)點(diǎn)的計(jì)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(diǎn)， 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(yùn)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(kuò)展模態(tài) （

23、MXPAND 命令 Elcalc=YES 的選項(xiàng) ）對(duì)于梁設(shè)計(jì)很常規(guī)的是使用軸力成分，軸力由軸向荷載和在各個(gè)端點(diǎn)的彎曲獨(dú)立提供。因此， beam1 88 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 、

24、 MZ 是彎距 (SMISC 數(shù)值是 2、15、3、 16)。坐標(biāo) ymax, ymin, zmax, 和 zmin 是 y 和 z 坐標(biāo)的最大和最小值。 數(shù)值 Iyy 和 Izz 是截面慣性距。 對(duì)于 ASEC 梁截面， ANSYS 用最大和最小截面尺對(duì)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

25、 7,8,9, 20,21和 22)輸出的應(yīng)力僅僅對(duì)于單元的彈性行為嚴(yán)格有效。Beam188 總是組合應(yīng)力來支持非線性材料的行為。當(dāng)單元和非線性材料相關(guān)的時(shí)候，組合應(yīng)力最好作為線性近似來對(duì)待，應(yīng)該謹(jǐn)慎的說明。 單元運(yùn)用以下符號(hào)輸出定義表格：在 name 列的冒號(hào)表示該項(xiàng)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(xiàng)有 效的說明在文件 Jobname.OUT 中。 R 列表示該項(xiàng)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(xiàng)一直是可用的。數(shù)值表示描述哪里該項(xiàng)是選擇性提供的腳注， 表示該項(xiàng)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(duì)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(rèn)的， ansys 將僅僅輸出扭轉(zhuǎn)荷載導(dǎo)致的剪應(yīng)力， ke yopt(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?jiǎng)澐志戎苯映杀壤P(guān)系(