Ansys Beam單元詳解——BEAM44(一)

2013-08-14  by:有限元優(yōu)化設(shè)計  來源:仿真在線

Ansys Beam單元詳解——BEAM44

BEAM44

3-D 彈性 變截面(Tapered)非對稱 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。單元每個節(jié)點有6個自由度:x、y、z方向的平移和x、y、z軸向的轉(zhuǎn)動。這個單元允許具有不對稱的端面結(jié)構(gòu),并且允許端面節(jié)點偏離截面形心位置。如果你并不需要這些特性那么可以選用均質(zhì)對稱的BEAM4單元。同時也可以選用同類型2D單元(BEAM54)。對于非線性材料,使用BEAM188和BEAM189來代替BEAM44。

對于剪切變形的作用是可選的。例外一個可選是可顯示在單元坐標系下,力作用單元上。同時包括應(yīng)力強化和大變形的特性?？梢圆殚啞禔NSYS理論手冊》得到關(guān)于本單元更詳細的說明。

BEAM44可以使用SECTYPE, SECDATA, SECOFFSET, SECWRITE, and SECREAD命令來建立任何形狀的橫截面。但是只有當沒有定義實常數(shù)時,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)點位置和坐標系如圖44.1所示。單元由參考坐標(x', y', z')和偏移量來定位。這個參考坐標由I、J和K節(jié)點或方向角來定義,如圖44.1所示。梁的主軸為單元坐標系(x, y, z)中沿X方向,并經(jīng)過橫截面中心(C.G.)。

單元的X軸的方向是指從I節(jié)點(end 1)到J節(jié)點(end 2)。如果只給了兩個節(jié)點參數(shù),默認(θ = 0°)那單元Y軸的方向自動確定為平行于系統(tǒng)坐標系下的X-Y平面。有關(guān)示例見上圖。當單元坐標的X軸平行于整體坐標系下的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系下的Y軸。用戶可以通過給定θ角或定義第三個節(jié)點的方法來控制單元的方向。如果前面的兩個參數(shù)同時給定時,則以給定第三點的控制為準。第三點一經(jīng)給出就意味著定義了一個由I,J,K三點定義的平面且該平面包含了單元坐標的X與Z軸。當本單元用于大變形分析時,那么給定的第三節(jié)點(K)或旋轉(zhuǎn)角(θ)僅用來確定單元的初始狀態(tài)。(有關(guān)方向節(jié)點及單元劃分的詳細信息參見《實體單元分網(wǎng)》及《ansys建模與分網(wǎng)指南》。K節(jié)點的只能生成可以查看LMESH和LATT命令描述。

用實常數(shù)來描述梁的橫截面,需要定義面積、面積慣性矩、端點到形心的距離,形心的偏移,和剪切系數(shù)。IZ和IY兩個慣性矩是在單元主軸的側(cè)面。截面 1(IX1)的扭轉(zhuǎn)慣性矩如果沒有特別說明,那其值就默認為在截面1的極慣性矩(IZ1+IY1)。截面2 的轉(zhuǎn)動慣性矩(IX2,IY2和IZ2),如果空白,就默認為對應(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節(jié)點位置來定義。沿著單元坐標系正向的位置為正。所有截面2 處實常數(shù)(除了中心偏移實常數(shù)DX, DY, 和 DZ)如果為0,則都默認為其對應(yīng)截面 1 處的值。截面1節(jié)點的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT1 和 TKYT1,分別默認為截面1節(jié)點的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB1 and TKYB1。截面 2節(jié)點的上層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZT2 和 TKYT2,也分別默認為截面 2節(jié)點的下層厚度(the "bottom" thicknesses),TKZB2 and TKYB2。上層厚度為頂點到截面中心的距離,下層厚度為底點到截面中心的距離。

剪切變形系數(shù)(SHEARZ和SHEARY)只有在考慮剪切變形時才使用。某個方向上剪切系數(shù)為0,一般用在忽略該方向上的剪切變形。查看剪切變形細節(jié)。

如果沒有實常數(shù)定義,使用SECTYPE 和 SECDATA命令來分別定義橫截面(細節(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(SECNUM)來關(guān)聯(lián),截面號是獨立的單元屬性。

KEYOPT(2)允許縮減質(zhì)量矩陣(reduced mass matrix)表達(刪除轉(zhuǎn)動方向的自由度)。這個選項有助于改善在分析細長桿在質(zhì)量荷載(mass loading)下計算得到彎曲應(yīng)力結(jié)果。

KEYOPT(7) 和 KEYOPT(8)允許在單元坐標系上節(jié)點上的單元節(jié)點約束釋放。在做自由運動時,節(jié)點約束則不能釋放,同時將會有pivot警告和錯誤信息。同時,應(yīng)力剛度矩陣的平移自由度上不能進行節(jié)點約束釋放。作用在節(jié)點約束釋放方向上的荷載將被忽略。對于大變形,注意到單元的節(jié)點約束釋放是沿著單元的方向,但是在節(jié)點耦合處不釋放。在沒有節(jié)點約束釋放的模型中添加柔性(低彈性模量)梁單元有助于提高解的穩(wěn)定性。

剪切面積(ARES_ _)和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)(TSF_) 在非零時,將起作用。剪切面積僅僅是為了計算剪切應(yīng)力,一般小于實際橫截面的面積。扭慣性矩乘上扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)可計算得到扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)剪切系數(shù)一般可在結(jié)構(gòu)手冊上查到。對于圓截面,TSF=直徑/(2*IX)。

對于有些梁的截面,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系正向為正。截面 2節(jié)點的偏移值如果為0,則默認為截面1節(jié)點的數(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4個點的附加應(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EFS_為0時,可以忽略這個性能。單元的初始應(yīng)變(ISTRN)通過Δ/L給定,這里的Δ是單元長度L(由節(jié)點I和J的坐標所決定)與零應(yīng)變時的長度之差。參數(shù)ADDMAS要輸入的值是每單位長度的附加質(zhì)量。

“節(jié)點與單元荷載”一節(jié)對“單元荷載”有專門介紹。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,其中箭頭指向為面荷載作用正向。橫向均布壓力的單位為力每單位長度,端點作用的壓力應(yīng)以集中力的形式輸入。KEYOPT(10)用來控制線性變化的橫向壓力相對單元節(jié)點的偏移量?？稍趩卧獛缀螆D形的八個角上設(shè)定溫度值,其被當作體荷載處理。第一個角上的溫度T1的默認值為TUNIF,如其它角的溫度未給定時其默認值等于第一個角的溫度,如給定了T1和T2則T3的默認值為T2,T4的默認值為T1;T5到T8的值默認與T1到T4的值相對應(yīng)。對于其他輸入方法,沒有定義溫度,則都默認TUNIF。

KEYOPT(9)用來控制兩節(jié)點中間部分相關(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[SSTIF,ON];

l 一個以上的部件作用有角速度時[OMEGA];

l 通過命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度時。

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 I, J, K (K 方向節(jié)點可選)

自由度 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

實常數(shù)

材料屬性 EX, ALPX (or CTEX or THSX), DENS, GXY, DAMP

面荷載

壓力 --

體力

溫度 --

T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8

特性

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 -- 沒有力的輸出

1 -- 輸出在單元坐標系下的力和力矩

KEYOPT(7) I節(jié)點約束釋放:

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).

KEYOPT(8) 與 KEYOPT(7)相同 只表示在J節(jié)點:

KEYOPT(9) 控制單元節(jié)點間計算點的輸出情況

N -- 輸出計算點數(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 -- 以長度為單位,直接輸入壓力相對于I,J節(jié)點的偏移量

1 -- 以偏移量與單元長度的比值為單位(0~1),用相對值形式輸入偏移

注意:

SHEARZ 與 IZ相關(guān). 如果 SHEARZ = 0.0, 表示在Y方向上沒有剪切變形.

SHEARY與 IY相關(guān). 如果 SHEARY = 0.0, 表示在Z方向上沒有剪切變形

表 44.1 BEAM44 實常數(shù)

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)點解包括節(jié)點位移解;

l單元解,細則見“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。在每個截面計算結(jié)果包括軸向應(yīng)力和4個彎曲應(yīng)力。這是5個應(yīng)力值組合起來以矩形截面形式得到最大和最小應(yīng)力。如果從Y1到Z4的實數(shù)給定,在任何點的組合應(yīng)力也可以計算得到,如果圖44.2“BEAM44應(yīng)力輸出”所示。對于KEYOPT(6) = 1的單元,12個彎距和軸力(每邊6個)也可以輸出(在單元坐標系上)。單元的X軸通過截面的重心。如果實常數(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)力的輸入將無效。如果設(shè)置了KEYOPT(9),還可以輸出2個端點之間的點的值。有關(guān)求解輸出的總體性介紹請見“Solution Output”,而有關(guān)結(jié)果內(nèi)容察看的一些方法見“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,后處理器將無法顯示3D效果。

單位輸出定義表使用下面符號:

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

表 44.2 BEAM44 單元輸出定義

1. 這些項目在I截面重復(fù), 中間計算點(查看 KEYOPT(9)), 和J截面
2. 只在實常數(shù)25-30給定時輸出
3. 只在實常數(shù)37-52給定時輸出
4. 如果KEYOPT(6) = 1
5. 在中心點使用 *GET 命令.

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