ansys經典單元類型BEAM188中文說明

2016-08-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網

ansys經典單元類型:梁單元:BEAM188中文說明:

BEAM188 — 3-D 線性有限應變梁

(基于Ansys 5.61的help)

MP ME ST PR PP ED

 

元素描述

BEAM188 適用于分析細長的梁。此元素能很好的應用于線性(分析),大偏轉,大應力的非線性(分析)。元素是基于Timoshenko 梁理論的。 具有扭切變形效果。

BEAM188 是一個二節(jié)點的三維線性梁。 BEAM188 在每個節(jié)點上有6或7個自由度,(自由度)數目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當 KEYOPT(1) = 0時 (默認), 每節(jié)點有6個自由度。分別是沿x,y,z的位移及繞其的轉動。 當 KEYOPT(1) = 1時,會添加第七個自由度 (翹曲量) 。

BEAM188包含應力剛度,在默認情況下,在某些分析中由 NLGEOM來打開。在進行彎曲(flexural),側向彎曲( lateral), 和扭轉穩(wěn)定性( torsional stability)分析時,應力剛度應該是被打開的。

BEAM188 能夠采用SECTYPE, SECDATA, SECOFFSET, SECWRITE,和 SECREAD來定義任何截面(形狀)。. 彈性(elasticity),蠕變( creep),和塑性( plasticity)模型都是允許的 (不考慮次截面形狀)。

圖1. BEAM188 3-D 線性有限應變梁

 

輸入數據

(元素的)幾何形狀,節(jié)點為止,即元素坐標系圖示于 BEAM188。BEAM188在模型坐標系中是由節(jié)點 I 和節(jié)點 J 來定義的。節(jié)點 K 是必需的元素方向點定義。有關方向點的相關信息詳見Generating a Beam Mesh With Orientation Nodes 在 ANSYS Modeling and Meshing Guide中。于LMESH 和 LATT命令說明中可見節(jié)點 K 的自動定義的詳細說明。

在空間中這是一個沒有量綱的元素。截面形狀是用SECTYPE 和 SECDATA 命令 (詳見 ANSYS Commands Reference )來獨立定宓摹C懇桓黿孛嫘巫淳囟ㄒ桓?ID 號(SECNUM)。截面號是特定的元素屬性。

梁元素是基于 Timoshenko 梁理論的,這是一個一階切應變理論:橫向切應變在截面中是常量;也就是說截面在變形后仍是平面。 BEAM188是一階 Timoshenko 梁元素,它用一個點在長度上來(代替截面)。應此當在節(jié)點 I  和 J 上使用SMISC參數的話會顯示每個端點節(jié)點的形心。 BEAM188 能被用于細長(slender)或粗壯( stout???)的梁。因為一階切應變理論的限制,自有適當厚度的梁能被分析。梁結構上的細長比 (GAL2/(EI)) 能夠用來判斷是否采用此元素:

G		切變模數
A		截面面積
L		構件長度
EI		彎曲剛度

 

在整體(偏移)距離而不是單個元素的情況下記錄這個比值是重要的。 懸臂梁受向下的負載提供了懸臂梁在受向下的負載的情況下橫向切應變的一個估評。雖然這個結果不能外推到所有的情況,但可以作為一個指導。我們推薦細長比應大于30 。

圖 2. 懸臂梁受向下的負載

 

細長比(GAL2/(EI)>30)	Timoshenko/ Euler-Bernoulli
25	1.120
50	1.060
100	1.030
1000	1.003

 

元素能提供一個橫向剪切力與橫向切應變的彈性關系。你可以用實常量來定義橫向剪切剛度。

 扭轉變形的St. Venant 翹曲決定了一個綜合狀態(tài),它可以使(材料)在屈服后的切應力變得平均。 ANSYS 不提供對橫截面或可能出現塑性屈服的橫截面上的扭切分布情況的換算。應此因扭轉負載而引起的大的非彈性的變形應當進行討論,(ansys)也會檢查并給處警告。在這種情況下推薦用實體或殼模型來代替。

在默認情況下BEAM188 元素假設橫截面上的彎曲很小可以被忽略(KEYOPT(1) = 0)。你可以使用KEYOPT(1) = 1來打開彎曲度的自由度。如果此自由度被打開那每個節(jié)點會有7個自由度: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, 和 WARP。

BEAM188 允許用一個軸向延伸率的函數來改變橫截面的轉動慣量。默認情況下元素橫截面的面積可以改變,但元素的體積在變形前后是相同的。此默認同樣適用于elasto-plastic 情況。使用KEYOPT(2), 你能使橫截面面積為一個常量或保持不變。

元素的輸出在元素的積分位置和橫截面的積分點上都是有效的。

梁在長度方向的積分點(高斯點)如(圖) 積分位置  所示。

Figure 3. 3-D 線性有限應變梁元素的積分位置

 

截面的應力與力(包含彎矩)都是在積分點上獲得的。元素基本點的輸出會外推到元素的節(jié)點。

BEAM188 的一些剖面關聯(lián)量(面積的積分,位置,泊松比函數,函數的導數等等) ,在使用SECTYPE 和 SECDATA命令定義截面時會自動分配到一個序列號。每一個截面區(qū)域預定為由9個節(jié)點組成。 相交區(qū)域模型 舉例說明矩形塊和槽形塊的模型情況。每個單元有4個積分點。

Figure 4. BEAM188 相交區(qū)域模型

 

 BEAM188 提供剖面積分點和節(jié)點的結果輸出。但你僅能查看邊界上的輸出。 (PRSSOL 打印BEAM188 剖面節(jié)點和積分點的解。應力和應變是在節(jié)點上的,塑性應力,塑性功,潛變應變則是在積分點上。)

當元素的材料具有非線性狀態(tài)或有通過剖面的溫度時,計算是在積分點上進行的。在大量通用彈性應用中],元素采用剖面積分點的pre-calculated 特性。應此,應力與應變的輸出均是經過了積分點的計算的。

如果截面分配了次截面 ASEC, 那么只有一般性的應力與應變 (軸向力, 彎矩, 切向應變,(彎曲)曲率, 和切應力)能夠輸出。 3-D 的輪廓圖和變形顯示圖是不可用的。 ASEC 次截面只能被作為一個薄矩形塊來顯示驗證梁的方向。

質量矩陣與負載向量的相容性的評估,相對于使用的剛度矩陣來說是一個高階積分。元素提供包含相容性與集中的質量初矩陣。使 LUMPM,ON 可以讓質量矩陣(質量)集中。(系統(tǒng))默認使用相容性矩陣。單位長度的質量可以用 ADDMAS 作為實常量來輸入。詳見 輸入概述。

力是相加在節(jié)點上的(定義在元素主方向)。如果形心軸不與元素主方向重合,那么附加的軸向力會引起彎曲。(同樣)如果形心和扭轉中心不重合的話,扭轉力也會引起扭轉變形和扭矩。應次節(jié)點的定位應當與力的中心向重合。使用 SECOFFSET 命令可以適當的改變OFFSETY和 OFFSETZ  的幅角。默認情況下 ANSYS 用形心來定義元素的主軸。

在 節(jié)點和元素負載中有元素負載的描述。壓力是作為一種面負載來作用在元素表面上的,(元素的面可見)圖BEAM188.中帶圈文字的顯示。正向壓力一壓力(常規(guī)形式)輸入。側向壓力以單位長度上的力來輸入。尾端壓力以力(的形式)輸入。

BEAM188 與ansys中的其他基于埃爾米特多項式(Hermitian polynomial)的元素(f比如說BEAM4).不同,它是基于線性多項式(linear polynomials)的。因此分布式(周延式)負載的偏移在說明中是不允許的。此外不支持非節(jié)點上的集中力。(必須加的話)推薦用加細元素的方法。BEAM188 計算的準確性與收斂性與元素的細化程度相關。

溫度作為一種體負載可以加在每個端點節(jié)點的三個方向上。在端點上,加在元素主方向(x-axis)上的溫度是 (T(0,0)), y 方向上為(T(1,0)),  z 方向上為 (T(0,1)).。第一個溫度坐標T(0,0) 默認為 TUNIF。綣齠ㄒ辶說諞桓鑫露齲敲雌淥木銜諞桓觥?如果僅在節(jié)點 I 上輸入溫度,那節(jié)點 J 默認對應于節(jié)點 I 。其他的輸入形式如果未定以均默認為 TUNIF。

KEYOPT(10) = 1 用于從用戶子程序中讀入初始應力數據。用戶子程序的詳細敘述請見 ANSYS Guide to User Programmable Features 。

輸入概述中給出了元素輸入的一個概括說明。

 

BEAM188 輸入概述

Element Name		BEAM188
Nodes		I, J, K
Degrees of Freedom		UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ if KEYOPT(1) = 0 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, WARP if KEYOPT(1) = 1
Real Constants		(Blank), TYZ1, TXZ1, ADDMAS
Material Properties		EX, EY, EZ, (PRXY, PRYZ, PRXZ, or NUXY, NUYZ, NUXZ), ALPX, ALPY, ALPZ, DENS, GXY, GYZ, GXZ, DAMP
Surface Loads		Pressure -  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 direction). 反方向請用負值。
Body Loads		Temperatures -  T(0,0), T(1,0), T(0,1) at each end node
Special Features		塑性,潛變,應力強化,大變形,大應力,初始應力輸入(Plasticity, Creep, Stress stiffening, Large deflection, Large strain, Initial stress import)。提供如下的TB 命令項:BISO, MISO, NLISO, BKIN, MKIN, KINH, CHABOCHE, and CREEP. 詳見 ANSYS Theory Reference  。
KEYOPT(1)		0 -  默認; 六 DOF, 無彎曲 1 -  七 DOF (包括彎曲)
KEYOPT(2)		0 -  默認; 截面隨軸向變長的函數而變化,但須 NLGEOM,ON。 1 -  截面尺寸假定為常量 (經典梁理論)
KEYOPT(5)		0 -  默認; 對稱的壓載荷剛度 1 -  非對稱的壓載荷剛度 2 -  忽略壓載荷剛度
Note -		只有在 OUTPR,ESOL 激活時KEYOPT(6) 才能通過KEYOPT(9)激活。當 KEYOPTs 6, 7, 8, 和 9 都被激活時, 元素輸出中的應力是一個總的應變。 "總" 意味著同時包含了熱應變。如果元素的材料定義是定義的塑性材料,那么可以包含塑性應變和塑性功。 可以在 /POST1  中用PRSSOL顯示。
KEYOPT(6)		元素積分點輸出控制 0 -  默認; 輸出截面力,截面應變,彎矩 1 -  與 KEYOPT(6) = 0 相同,增加截面面積 2 -  與 KEYOPT(6) = 1 相同,增加元素基本方向(x,y,z) 3 -  輸出截面向單元節(jié)點外推的力/力矩,應變/曲率
KEYOPT(7)		截面積分點輸出控制 (在截面壓尺寸= ASEC時無效) 0 -  默認;沒有輸出 1 -  (輸出)最大最小應力/應變 2 -  與KEYOPT(7) = 1 相同,增加每個截面節(jié)點的應力應變輸出
KEYOPT(8)		截面節(jié)點輸出控制 (在截面壓尺寸= ASEC時無效) 0 -  默認;沒有輸出 1 -  (輸出)最大最小應力/應變 2 -  與KEYOPT(8) = 1 相同,增加沿截面外邊界的應力應變輸出 3 -  與KEYOPT(8) = 1 相同,增加每個截面節(jié)點的應力應變
KEYOPT(9)		元素節(jié)點和截面節(jié)點的外推值的輸出控制 (在截面壓尺寸= ASEC時無效) 0 -  默認;沒有輸出 1 -  (輸出)最大最小應力/應變 2 -  與 KEYOPT(9) = 1 相同,增加沿截面外邊界的應力應變輸出 3 -  與KEYOPT(9) = 1  相同,增加每個截面節(jié)點的應力應變
KEYOPT(10)		0 -  沒有用戶子程序來提供初始應力(默認) 1 -  用USTRESS 從用戶子程序中讀取初始應力(詳見 ANSYS Guide to User Programmable Features 關于用戶子程序的章節(jié)).

 

 

輸出數據

單元解的輸出有兩種:

·             節(jié)點位移解包含于節(jié)點解中。

·             元素附加解請見 元素輸出定義

多數情況下,我們推薦 KEYOPT(8) = 2 和 KEYOPT(9) = 2。 詳見 ANSYS Basic Analysis Guide f 。

要在結構靜態(tài)或瞬態(tài)分析中觀察 BEAM188 的3-D不變形的形狀,可以用 OUTRES,MISC 或OUTRES,ALL 。要在屈曲分析中觀察3D模型,必須進行模態(tài)擴展(Elcalc = YES on MXPAND) 。

元素輸出表格中所用的符號:

冒號(:)表示可以由[ETABLE, ESOL]的形式獲取。 O 列表是存在于 Jobname.OUT中。  R列表示存在于結果文件中。

在 O 或 R 列中, Y 表示該項肯定有, 數字則表示注釋條件下獲得, " -- " 表示不存在此項。

表 1. BEAM188 元素輸出描述

Name	Definition	O	R
EL	Element number	Y	Y
NODES	Element connectivity	Y	Y
MAT	Material number	Y	Y
VOLU	Volume	Y	Y
XC, YC, ZC	Location where results are reported	Y
AREA	Area of cross section	1	Y
SF	Section forces	1	Y
SE	Section strains	1	Y
S	Section point stresses	2	Y
E	Section point strains	2	Y

1.           見 KEYOPT(6)的描述

2.           見 KEYOPT(7), KEYOPT(8), KEYOPT(9)的描述

3.           自由當形心用 *GET 獲取

使用 ETABLE 和 ESOL 命令的項目和順序號(KEYOPT(9) = 0) 列出了輸出通過 ETABLE 命令采用順序號獲取的方法。在 The General Postprocessor (POST1) 于 ANSYS Basic Analysis Guide 和The "Item and Sequence Number" Table 中有詳細介紹。下面是 使用 ETABLE 和 ESOL 命令的項目和順序號(KEYOPT(9) = 0)的說明:

Name		定義于 元素輸出定義中
Item		ETABLE 命令中的項目名稱
E		獲取單值的元素解的順序號
I,J		獲取節(jié)點解的順序號
ILn		獲取中間位置 n 的解的順序號

 

 

表 2. BEAM188 使用 ETABLE和 ESOL 命令的項目和順序號

Name	Item	I	J
Axial Force	SMISC	1	14
Bending Moment My	SMISC	2	15
Bending Moment Mz	SMISC	3	16
Torque Mx	SMISC	4	17
Shear Force in XZ Plane	SMISC	5	18
Shear Force in XY Plane	SMISC	6	19
Axial Strain	SMISC	7	20
Curvature Kyy	SMISC	8	21
Curvature Kzz	SMISC	9	22
Torsion curvature Kxx	SMISC	10	23
Transverse Shear Stain (XZ)	SMISC	11	24
Transverse Shear Strain (XY)	SMISC	12	25
Area of Cross Section	SMISC	13	26
Bimoment	SMISC	27	29
Bicurvature	SMISC	28	30

 

假定與限值

梁長度不能為零。截面劃分不能多于250個。 This restriction is applicable to the standard library sections that allow user specification of section model size, and for the MESH section subtype. By default (KEYOPT(1) = 0), the effect of warping restraint is assumed to be negligible. Cross section failure or folding is not accounted for.

It is a common practice in civil engineering to model the frame members of a typical multi-storied structure using a single element for each member. Because of cubic interpolation of lateral displacement, BEAM4 and BEAM44 are well-suited for such an approach. However, if BEAM188 is used in that type of application, be sure to use several elements for each frame member. BEAM188 includes the effects of transverse shear.

This element works best with the full Newton-Raphson solution scheme (that is, the default choice in solution control). For nonlinear problems that are dominated by large rotations, we recommend that you do not use PRED,ON.

Note that only moderately "thick" beams may be analyzed. See the Input Datasection for more information.

The treatment of material nonlinearities at the section points is based on uncoupled behavior between the stress components. Axial and the torsional shear stress components behave independently. As a result of this approximation, the equivalent stress output by PRSSOL may at times exceed yield stress and yet no active yielding is reported. Under such circumstance, use OUTPR and set KEYOPT(7) = 2 to see actual section point shear stress values.

Product Restrictions

There are no product-specific restrictions for this element.

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