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2013-08-14 by:有限元優(yōu)化設(shè)計(jì) 來(lái)源:仿真在線
Ansys Beam單元詳解——BEAM44
BEAM44
3-D 彈性 變截面(Tapered)非對(duì)稱(chēng) 梁
BEAM44 Element Description
BEAM44 是一種具有承受拉、壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲能力的單軸梁。單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度:x、y、z方向的平移和x、y、z軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)單元允許具有不對(duì)稱(chēng)的端面結(jié)構(gòu),并且允許端面節(jié)點(diǎn)偏離截面形心位置。如果你并不需要這些特性那么可以選用均質(zhì)對(duì)稱(chēng)的BEAM4單元。同時(shí)也可以選用同類(lèi)型2D單元(BEAM54)。對(duì)于非線性材料,使用BEAM188和BEAM189來(lái)代替BEAM44。
對(duì)于剪切變形的作用是可選的。例外一個(gè)可選是可顯示在單元坐標(biāo)系下,力作用單元上。同時(shí)包括應(yīng)力強(qiáng)化和大變形的特性。可以查閱《ANSYS理論手冊(cè)》得到關(guān)于本單元更詳細(xì)的說(shuō)明。
BEAM44可以使用SECTYPE, SECDATA, SECOFFSET, SECWRITE, and SECREAD命令來(lái)建立任何形狀的橫截面。但是只有當(dāng)沒(méi)有定義實(shí)常數(shù)時(shí),上面的定義截面的命令才有效。
BEAM44 輸入數(shù)據(jù)
單元的幾何模型、節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系如圖44.1所示。單元由參考坐標(biāo)(x', y', z')和偏移量來(lái)定位。這個(gè)參考坐標(biāo)由I、J和K節(jié)點(diǎn)或方向角來(lái)定義,如圖44.1所示。梁的主軸為單元坐標(biāo)系(x, y, z)中沿X方向,并經(jīng)過(guò)橫截面中心(C.G.)。
單元的X軸的方向是指從I節(jié)點(diǎn)(end 1)到J節(jié)點(diǎn)(end 2)。如果只給了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù),默認(rèn)(θ = 0°)那單元Y軸的方向自動(dòng)確定為平行于系統(tǒng)坐標(biāo)系下的X-Y平面。有關(guān)示例見(jiàn)上圖。當(dāng)單元坐標(biāo)的X軸平行于整體坐標(biāo)系下的Z軸(包括0.01%的偏差在內(nèi)),單元Y軸的方向是平行于總體坐標(biāo)系下的Y軸。用戶可以通過(guò)給定θ角或定義第三個(gè)節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)控制單元的方向。如果前面的兩個(gè)參數(shù)同時(shí)給定時(shí),則以給定第三點(diǎn)的控制為準(zhǔn)。第三點(diǎn)一經(jīng)給出就意味著定義了一個(gè)由I,J,K三點(diǎn)定義的平面且該平面包含了單元坐標(biāo)的X與Z軸。當(dāng)本單元用于大變形分析時(shí),那么給定的第三節(jié)點(diǎn)(K)或旋轉(zhuǎn)角(θ)僅用來(lái)確定單元的初始狀態(tài)。(有關(guān)方向節(jié)點(diǎn)及單元?jiǎng)澐值脑敿?xì)信息參見(jiàn)《實(shí)體單元分網(wǎng)》及《ansys建模與分網(wǎng)指南》。K節(jié)點(diǎn)的只能生成可以查看LMESH和LATT命令描述。
用實(shí)常數(shù)來(lái)描述梁的橫截面,需要定義面積、面積慣性矩、端點(diǎn)到形心的距離,形心的偏移,和剪切系數(shù)。IZ和IY兩個(gè)慣性矩是在單元主軸的側(cè)面。截面 1(IX1)的扭轉(zhuǎn)慣性矩如果沒(méi)有特別說(shuō)明,那其值就默認(rèn)為在截面1的極慣性矩(IZ1+IY1)。截面2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩(IX2,IY2和IZ2),如果空白,就默認(rèn)為對(duì)應(yīng)截面1的值。單元的扭轉(zhuǎn)剛度隨著IX的值而減小。
偏移量常數(shù)(DX, DY, DZ)由截面中心位置相對(duì)節(jié)點(diǎn)位置來(lái)定義。沿著單元坐標(biāo)系正向的位置為正。所有截面2 處實(shí)常數(shù)(除了中心偏移實(shí)常數(shù)DX, DY, 和 DZ)如果為0,則都默認(rèn)為其對(duì)應(yīng)截面 1 處的值。截面1節(jié)點(diǎn)的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT1 和 TKYT1,分別默認(rèn)為截面1節(jié)點(diǎn)的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB1 and TKYB1。截面 2節(jié)點(diǎn)的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT2 和 TKYT2,也分別默認(rèn)為截面 2節(jié)點(diǎn)的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB2 and TKYB2。上層厚度為頂點(diǎn)到截面中心的距離,下層厚度為底點(diǎn)到截面中心的距離。
剪切變形系數(shù)(SHEARZ和SHEARY)只有在考慮剪切變形時(shí)才使用。某個(gè)方向上剪切系數(shù)為0,一般用在忽略該方向上的剪切變形。查看剪切變形細(xì)節(jié)。
如果沒(méi)有實(shí)常數(shù)定義,使用SECTYPE 和 SECDATA命令來(lái)分別定義橫截面(細(xì)節(jié)查看《ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南》中的梁分析和橫截面)。注意使用SECTYPE 和 SECDATA命令建立的截面可以在同一個(gè)模型中被BEAM44, BEAM188, 和 BEAM189中的任何組合使用。截面與單元用截面號(hào)(SECNUM)來(lái)關(guān)聯(lián),截面號(hào)是獨(dú)立的單元屬性。
KEYOPT(2)允許縮減質(zhì)量矩陣(reduced mass matrix)表達(dá)(刪除轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度)。這個(gè)選項(xiàng)有助于改善在分析細(xì)長(zhǎng)桿在質(zhì)量荷載(mass loading)下計(jì)算得到彎曲應(yīng)力結(jié)果。
KEYOPT(7) 和 KEYOPT(8)允許在單元坐標(biāo)系上節(jié)點(diǎn)上的單元節(jié)點(diǎn)約束釋放。在做自由運(yùn)動(dòng)時(shí),節(jié)點(diǎn)約束則不能釋放,同時(shí)將會(huì)有pivot警告和錯(cuò)誤信息。同時(shí),應(yīng)力剛度矩陣的平移自由度上不能進(jìn)行節(jié)點(diǎn)約束釋放。作用在節(jié)點(diǎn)約束釋放方向上的荷載將被忽略。對(duì)于大變形,注意到單元的節(jié)點(diǎn)約束釋放是沿著單元的方向,但是在節(jié)點(diǎn)耦合處不釋放。在沒(méi)有節(jié)點(diǎn)約束釋放的模型中添加柔性(低彈性模量)梁?jiǎn)卧兄谔岣呓獾姆€(wěn)定性。
剪切面積(ARES_ _)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)(TSF_) 在非零時(shí),將起作用。剪切面積僅僅是為了計(jì)算剪切應(yīng)力,一般小于實(shí)際橫截面的面積。扭慣性矩乘上扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)可計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)剪切系數(shù)一般可在結(jié)構(gòu)手冊(cè)上查到。對(duì)于圓截面,TSF=直徑/(2*IX)。
對(duì)于有些梁的截面,剪切中心可以與形心不重合。非零的剪切中間偏移(DSC_ _)應(yīng)該按圖44.1“梁幾何模型”所示的輸入。剪切中心偏移以形心沿單元坐標(biāo)系正向?yàn)檎?。截?2節(jié)點(diǎn)的偏移值如果為0,則默認(rèn)為截面1節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。如圖44.2“梁的應(yīng)力輸出”所示,如果從Y1到Z4的常數(shù)給定,梁每端可以輸出給定點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)的附加應(yīng)力。
彈性基礎(chǔ)剛度(EFS_)是基礎(chǔ)產(chǎn)生單位法向變形所需的壓力。當(dāng)EFS_為0時(shí),可以忽略這個(gè)性能。單元的初始應(yīng)變(ISTRN)通過(guò)Δ/L給定,這里的Δ是單元長(zhǎng)度L(由節(jié)點(diǎn)I和J的坐標(biāo)所決定)與零應(yīng)變時(shí)的長(zhǎng)度之差。參數(shù)ADDMAS要輸入的值是每單位長(zhǎng)度的附加質(zhì)量。
“節(jié)點(diǎn)與單元荷載”一節(jié)對(duì)“單元荷載”有專(zhuān)門(mén)介紹。可以在本單元的表面施加面荷載,如上圖中帶圈數(shù)字所示,其中箭頭指向?yàn)槊婧奢d作用正向。橫向均布?jí)毫Φ膯挝粸榱γ繂挝婚L(zhǎng)度,端點(diǎn)作用的壓力應(yīng)以集中力的形式輸入。KEYOPT(10)用來(lái)控制線性變化的橫向壓力相對(duì)單元節(jié)點(diǎn)的偏移量?？稍趩卧獛缀螆D形的八個(gè)角上設(shè)定溫度值,其被當(dāng)作體荷載處理。第一個(gè)角上的溫度T1的默認(rèn)值為T(mén)UNIF,如其它角的溫度未給定時(shí)其默認(rèn)值等于第一個(gè)角的溫度,如給定了T1和T2則T3的默認(rèn)值為T(mén)2,T4的默認(rèn)值為T(mén)1;T5到T8的值默認(rèn)與T1到T4的值相對(duì)應(yīng)。對(duì)于其他輸入方法,沒(méi)有定義溫度,則都默認(rèn)TUNIF。
KEYOPT(9)用來(lái)控制兩節(jié)點(diǎn)中間部分相關(guān)值的輸出情況,值是按平衡條件得出的。但在下列情況下這些值不能得到:
l 考慮應(yīng)力硬化時(shí)[SSTIF,ON];
l 一個(gè)以上的部件作用有角速度時(shí)[OMEGA];
l 通過(guò)命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度時(shí)。
概要的單元輸入在“BEAM44 輸入概要”中有介紹。單元輸入的一般描述在“單元輸入”中有介紹。
BEAM44 輸入概要
節(jié)點(diǎn) I, J, K (K 方向節(jié)點(diǎn)可選)
自由度 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
實(shí)常數(shù)
|
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 |
|
查閱 Table 44.1: "BEAM44 Real Constants" 獲得實(shí)常數(shù)的描述 |
材料屬性 EX, ALPX (or CTEX or THSX), DENS, GXY, DAMP
面荷載
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 (I) (+X axial direction) |
|
face 5 (J) (-X axial direction) |
|
(負(fù)值表示反方向面荷載) |
體力
溫度 --
T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8
特性
|
應(yīng)力強(qiáng)化 |
|
大變形 |
|
單元生死 |
KEYOPT(2) 集總質(zhì)量矩陣:
0 -- 協(xié)調(diào)
1 -- 縮減
KEYOPT(6) 輸出力和力矩:
0 -- 沒(méi)有力的輸出
1 -- 輸出在單元坐標(biāo)系下的力和力矩
KEYOPT(7) I節(jié)點(diǎn)約束釋放:
1 -- 單元Z軸約束釋放
10 -- 單元Y軸約束釋放
100 -- 單元X軸約束釋放
1000 -- 單元Z方向約束釋放
10000 -- 單元Y方向約束釋放
100000 -- 單元X方向約束釋放
為了組合這些約束釋放, 可以輸入這些數(shù)字的和(例如輸入11表示Z軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)).
KEYOPT(8) 與 KEYOPT(7)相同 只表示在J節(jié)點(diǎn):
KEYOPT(9) 控制單元節(jié)點(diǎn)間計(jì)算點(diǎn)的輸出情況
N -- 輸出計(jì)算點(diǎn)數(shù)(N=0,1,3,5,7,9)
KEYOPT(10) 用于控制用SFBEAM指令輸入荷載偏移量的輸入方法:
0 -- 以長(zhǎng)度為單位,直接輸入壓力相對(duì)于I,J節(jié)點(diǎn)的偏移量
1 -- 以偏移量與單元長(zhǎng)度的比值為單位(0~1),用相對(duì)值形式輸入偏移
注意:
SHEARZ 與 IZ相關(guān). 如果 SHEARZ = 0.0, 表示在Y方向上沒(méi)有剪切變形.
SHEARY與 IY相關(guān). 如果 SHEARY = 0.0, 表示在Z方向上沒(méi)有剪切變形
表 44.1 BEAM44 實(shí)常數(shù)
|
序號(hào) |
名稱(chēng) |
描述 |
|
1 |
AREA1 |
截面1的面積 |
|
2, 3 |
IZ1, IY1 |
截面1慣性矩 |
|
4, 5 |
TKZB1, TKYB1 |
截面1的Z方向和Y方向的下層厚度 |
|
6 |
IX1 |
截面1扭轉(zhuǎn)慣性矩 |
|
7 |
AREA2 |
截面2的面積 |
|
8, 9 |
IZ2, IY2 |
截面2慣性矩 |
|
10, 11 |
TKZB2, TKYB2 |
截面2的Z方向和Y方向的下層厚度 |
|
12 |
IX2 |
截面1扭轉(zhuǎn)慣性矩 |
|
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方向上的剪切變形系數(shù) |
|
21,22 |
TKZT1, TKYT1 |
截面1的Z方向和Y方向的上層厚度 |
|
23, 24 |
TKZT2, TKYT2 |
截面2的Z方向和Y方向的上層厚度 |
|
25, 26 |
ARESZ1, ARESY1 |
截面1上Z方向和Y方向的剪切面積 |
|
27, 28 |
ARESZ2, ARESY2 |
截面2上Z方向和Y方向的剪切面積 |
|
29. 30 |
TSF1, TSF2 |
每個(gè)截面的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù) |
|
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 |
基礎(chǔ)剛度 |
|
37, 38 |
Y1, Z1 |
截面1附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列1 |
|
39, 40 |
Y2, Z2 |
截面1附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列2 |
|
41, 42 |
Y3, Z3 |
截面1附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列3 |
|
43, 44 |
Y4, Z4 |
截面1附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列4 |
|
45, 46 |
Y1, Z1 |
截面2附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列1 |
|
47, 48 |
Y2, Z2 |
截面2附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列2 |
|
49, 50 |
Y3, Z3 |
截面2附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列3 |
|
51, 52 |
Y4, Z4 (at end J) |
截面2附加應(yīng)力輸出坐標(biāo)值系列4 |
|
53 |
THETA |
X軸角度 |
|
54 |
ISTRN |
初始應(yīng)變 |
|
55 |
ADDMAS |
附加質(zhì)量/單位長(zhǎng)度 |
BEAM44 輸出數(shù)據(jù)
單元的求解結(jié)果總體為以下兩部分:
l 全部節(jié)點(diǎn)解包括節(jié)點(diǎn)位移解;
l單元解,細(xì)則見(jiàn)“BEAM4單元輸出數(shù)據(jù)一覽表”
圖44.2“BEAM44應(yīng)力輸出”已經(jīng)圖示了幾種情況。在每個(gè)截面計(jì)算結(jié)果包括軸向應(yīng)力和4個(gè)彎曲應(yīng)力。這是5個(gè)應(yīng)力值組合起來(lái)以矩形截面形式得到最大和最小應(yīng)力。如果從Y1到Z4的實(shí)數(shù)給定,在任何點(diǎn)的組合應(yīng)力也可以計(jì)算得到,如果圖44.2“BEAM44應(yīng)力輸出”所示。對(duì)于KEYOPT(6) = 1的單元,12個(gè)彎距和軸力(每邊6個(gè))也可以輸出(在單元坐標(biāo)系上)。單元的X軸通過(guò)截面的重心。如果實(shí)常數(shù)25~30(ARES_ _, TSF_)給定,平均剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力也可以輸出。如果他們都為0,剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的輸入將無(wú)效。如果設(shè)置了KEYOPT(9),還可以輸出2個(gè)端點(diǎn)之間的點(diǎn)的值。有關(guān)求解輸出的總體性介紹請(qǐng)見(jiàn)“Solution Output”,而有關(guān)結(jié)果內(nèi)容察看的一些方法見(jiàn)“ANSYS Basic Analysis Guide”
注意:
如果輸入/ESHAPE,1 ,3D顯示的BEAM44單元只僅限在ANSYS前處理器中,后處理器將無(wú)法顯示3D效果。
單位輸出定義表使用下面符號(hào):
在name 列的冒號(hào)表示該項(xiàng)目可以通過(guò)構(gòu)成名字的方法來(lái)獲得[ETABLE, ESOL]。第0 列表示該項(xiàng)有效的說(shuō)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(wú)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
表 44.2 BEAM44 單元輸出定義
|
名稱(chēng) |
定義 |
O |
R |
|
EL |
單元號(hào) |
Y |
Y |
|
NODES |
節(jié)點(diǎn) - I, J |
Y |
Y |
|
MAT |
材料號(hào) |
Y |
Y |
|
VOLU: |
體積 |
- |
Y |
|
XC, YC, ZC |
輸出結(jié)果坐標(biāo) |
Y |
5 |
|
TEMP |
溫度 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8 |
Y |
Y |
|
PRES |
壓力P1 at nodes I, J; 偏移量1 at I, J; 壓力P2 at I, J; 偏移量2 at I, J; 壓力P3 at I, J; 偏移量3 at I, J; 壓力P4 at I; 壓力P5 at J |
Y |
Y |
|
SDIR |
軸向正應(yīng)力 |
1 |
1 |
|
SBYT |
梁內(nèi)單元+Y面上的彎曲應(yīng)力 |
1 |
1 |
|
SBYB |
梁內(nèi)單元-Y面上的彎曲應(yīng)力 |
1 |
1 |
|
SBZT |
梁內(nèi)單元+Z面上的彎曲應(yīng)力 |
1 |
1 |
|
SBZB |
梁內(nèi)單元-Z面上的彎曲應(yīng)力 |
1 |
1 |
|
SMAX |
最大應(yīng)力(正應(yīng)力+彎曲應(yīng)力) |
1 |
1 |
|
SMIN |
最小應(yīng)力(正應(yīng)力-彎曲應(yīng)力) |
1 |
1 |
|
EPELDIR |
端部軸向彈性應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPELBYT |
梁內(nèi)單元+Y面上的彎曲彈性應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPELBYB |
梁內(nèi)單元-Y面上的彎曲彈性應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPELBZT |
梁內(nèi)單元+Z面上的彎曲彈性應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPELBZB |
梁內(nèi)單元-Z面上的彎曲彈性應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPTHDIR |
端點(diǎn)軸向熱應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPTHBYT |
梁內(nèi)單元+Y面上的彎曲熱應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPTHBYB |
梁內(nèi)單元-Y面上的彎曲熱應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPTHBZT |
梁內(nèi)單元+Z面上的彎曲熱應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPTHBZB |
梁內(nèi)單元-Z面上的彎曲熱應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
EPINAXL |
單元初始軸向應(yīng)變 |
1 |
1 |
|
S(XY, XZ, YZ) |
平均剪切Y方向,平均剪切Z方向,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 |
2 |
2 |
|
S(AXL1, AXL2, AXL3, AXL4) |
定義點(diǎn)的組合應(yīng)力 |
3 |
3 |
|
MFOR(X, Y, Z) |
元坐標(biāo)系中X,Y,Z方向的力 |
4 |
Y |
|
MMOM(X, Y, Z) |
單元坐標(biāo)系中X,Y,Z方向的彎矩 |
4 |
Y |
- 這些項(xiàng)目在I截面重復(fù), 中間計(jì)算點(diǎn)(查看 KEYOPT(9)), 和J截面
- 只在實(shí)常數(shù)25-30給定時(shí)輸出
- 只在實(shí)常數(shù)37-52給定時(shí)輸出
- 如果KEYOPT(6) = 1
- 在中心點(diǎn)使用 *GET 命令.
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