最新ANSYS-Beam188单元应用

1、精品文档Beam188/189 单元基于 Timoshenko 梁理论（一阶剪切变形理论：横向剪切应变在横截面上是常数，也就 是说，变形后的横截面保持平面不发生扭曲）而开发的，并考虑了剪切变形的影响，适合于分析从细长到 中等粗细 的梁结构。该单元提供了无约束和有约束的横截面的翘曲选项。Beam188是一种 3D线性、二次或三次的 2节点梁单元。 Beam189是一种 3D二次3节点梁单元。 每个 节点有六个或者七个自由度，包括x、y、 z 方向的平动自由度和绕 x、y、z 轴的转动自由度，还有一个可选择的翘曲自由度。该单元非常适合线性、大角度转动或大应变非线性问题。beam188的应力刚化选项

2、在任何大挠度分析中都是缺省打开的，从而可以分析弯曲、横向及扭转稳定问题 （进行特征值屈曲分析或（采用弧长法或非线性稳定法）破坏研究） 。Beam188/beam189 单元支持弹性、塑性，蠕变及其他非线性材料模型。这种单元还可以采用多种材料组成 的截面。该单元还支持横向剪力和横向剪应变的弹性关系，但不能使用高阶理论证明剪应力的分布变化。下图是单元几何示意图：该单元的几何形状、节点位置、坐标体系和压力方向如图所示， beam188 由整体 坐标系的节点 i 和 j 定义。对于 Beam188 梁单元，当采用默认的 KEYOPT（3）=0 ，则采用线性的形函数，沿着长度用了一个积分点， 因此，单元

3、求解量沿长度保持不变；当 KEYOPT（3）=2 ，该单元就生成一个内插节点，并采用二次形函数 沿长度用了两个积分点，单元求解量沿长度线性变化；当 KEYOPT（3）=3 ，该单元就生成两个内节点，并 采用三次形函数 ,沿长度用了三个积分点，单元求解量沿长度二次变化；当在下面情况下需要考虑高阶单元内插时，推荐二次和三次选项：1）变截面的单元；2）单元内存在非均布荷载（包含梯形荷载）时，三次形函数选项比二次选项提供更好的结果。（对于局 部的分布荷载和非节点集中荷载情况，只有三次选项有效）；3）单元可能承受高度不均匀变形时。（比如土木工程结构中的个别框架构件用单个单元模拟时）Beam188 单元的

4、二次和三次选项有两个限制：1） 虽然单元采用高阶内插，但是 beam188 的初始几何按直线处理；2） 因为内节点是不可影响的，所以在这些节点上不允许有边界（或荷载或初始）条件。由于这些限制，所以如果 beam189 模型的中间节点作用有边界（或荷载或初始）条件或者中间节点不在 单元中点时，需要注意 beam188 的二次选项和 beam189 的差异。同样， beam188 的三次选项不同于传统 三次（ Hermitian ）梁单元。未变形的状态决定了计算扭转作用的 St.Venant 翘曲函数，该翘曲函数用来定义屈服后的剪应变。 Ansys 在 没有提供选项来重新计算在分析过程中变形状态的

5、横截面扭转剪力分布和横截面可能的部分塑性屈服。 因此，由扭转作用引起的大的非弹性变形需要谨慎处理和验证。在这样的情况下，推荐采用 solid 或者 sh ell 单元来模拟。Beam188 可以在没有方向节点的情况下被定义。在这种情况下，单元的 x 轴方向为 i 节点指向 j 节 点。对于两节点的情况，默认的 y 轴方向按平行 x-y 平面自动计算。对于单元平行与 z 轴的情况 （ 或者斜 度在 0.01%以内 ），单元的 y 轴的方向平行与整体坐标的 y 轴（如图 ）。用第三个节点的选项，用户可以定 义单元的 x 轴方向。 如果两者都定义了， 那么第三节点的选项优先考虑。 第三个节点 （K）

6、 ，如果采用的话， 将和 i、j 节点一起定义包含单元 x 轴和 z 轴的平面 （如图 ）。如果该单元采用大变形分析，需要注意这个 第三号节点紧紧在定义初始单元方向的时候有效。Beam188/beam189 提供在积分点和界面节点输出的选项。你可以要求紧紧在截面的外表面输出。 （PR SSOL 打印截面节点和截面积分点结果。应力和应变在截面的截面打印，塑性应变，塑性作用，蠕变应力 在截面的积分点输出。当与单元相关的材料有非弹性的行为或者当截面的温度在截面中有变化， 基本计算在截面的积分点上 运行。对于更多的普通的弹性的运用，单元运用预先计算好的单元积分点上的截面属性。无论如何，应力 和应变通过

7、截面的积分点输出来计算。如果截面指定为 ASEC 亚类，仅仅广义的应力和应变 （轴力、弯距、横向剪切、弯曲、剪应力 ）能够输 出。 3-D 轮廓线和变形形状不能输出。 ASEC 亚类紧紧可以作为细矩形来显示来定义梁的方向。Beam188/beam189 能够对组合梁进行分析， （例如，那些由两种或者两个以上材料复合而成的简单的 实体梁 ）。这些组件被假设为完全固接在一起的。因此，该梁表现为一单一的元件。多材料截面能力仅仅在梁的行为假定 （ 铁木辛哥或者伯努力欧拉梁理论 ）成立的时候能运用。 用其他的话说，支持简单的传统铁木辛哥梁理论的扩展。在这些地方可能应用到：& #8226; 双层金

8、属带& #8226; 带金属加固的梁& #8226; 位于不同材料组成的层上的传感器Beam188/beam189 计算在截面刚度水平上的弯距和扭距的耦合。横向的剪切也作为一个独立的量来 计算。这对于分层的组合物和夹层量可能会有很大的影响，如果街头处不平衡。Beam188/189 没有用高阶理论来计算剪切应力的变更贡献， 如果这些作用必须考虑的话， 就需要运用 ANSYS 实体单元。要使 beam188/beam189 用于特殊的应用，作试验或者其他的数值分析。在合适验证后使用对于组合 截面的约束扭曲的选项对于质量矩阵和一致荷载向量的赋值， 比刚度矩阵使用的规则更高阶积分规则被

9、使用到。 单元支持一 致质量矩阵和集中质量矩阵。用 LUMPM ， ON 命令来激活集中质量矩阵。一致质量矩阵时默认使用的。 每单位长度的附加质量将用 ADDMAS 截面控制来输入，参见 "BEAM188 Input Summary" 。在节点 （这些截面定义了单元的 x 轴 ）上施加力， 如果重心轴和单元的 x 轴不是共线的， 施加的轴力将 产生弯距。如果质心和剪切中心不是重合的，施加的剪切力将导致扭转应力和弯曲。因而需要设置节点在 那些你需要施加力的位置。可以适当的使用 secoffset 命令中的 offsety 和 offsetz 自变量。默认的， ansys 会使

10、用量单元的质心作为参考轴。单元荷载在 Node and Element Loads 被描述。压力可能被作为单元表面力被输入，就像 Figure 188. 1: "BEAM188 Geometry" 中带圈的数字所示。 正的压力指向单元内部。 水平压力作为单元长度的力来输入。 端部的压力作为力输入。当 keyopt（3）=0 的时候 （默认 ）， beam188 基于线性多项式，和其他的基于厄密多项式的单元（例如 beam44）不同，一般来说要求网格划分要细化。当 keyopt（3）=2 ， ansys 增加了一个中间积分点在内插值图标，有效的使得单元成为基于二次型功能的 铁

11、木辛哥梁。这个选项迫切被要求，除非这个单元作为刚体使用，而且你必须维持和一阶 shell 单元的兼 容性。线性变化的弯距被经且的表现。二次选项和 beam189 相似，有如下的不同：& #8226; 不论是否使用二次选项， beam188 单元最初始的几何总是直线。& #8226; 你不能读取中间节点，所以边界条件 / 荷载不能在那些节点描述。 均布荷载是不允许描述偏移的。不支持非节点的集中力。用二次选项 （keyopt （3）=2 当单元大和契型 截面相关。温度可以作为单元的体力在梁的每个端部节点的三个位置输入， 单元的温度在单元的 x 轴被输入 (T(0 ， 0),和在离开

12、 x 轴一个单元长度的 y 轴(T(1，0)， 和在离开 x 轴一个单元长度的 z 方向 (T(0 ，1) 。第一 坐标温度 T(0，0) 默认是 TUNIF 。如果所有的温度在第一次以后是没有指明的， 那么它们默认的就为第一 次输入的温度。如果所有 i 节点的温度均输入了， j 节点的都没有指明，那么 j 节点的温度默认的是等于 i 节点的温度。对于其他的输入模式，没有指明的温度默认的是TUNIF 。你可以对该单元通过 istress 和 isfile 命令来定义初始应力状态。要获取更多的信息，可以参考 ANSY S Basic Analysis Guide 的 Initial Stress

13、 Loading 。可以替换的， 你可以设置 keyopt(10)=1 来从用户的子程 序 ustress 来读取出初始应力。关于用户子程序的详细资料，参见 ANSYS User Programmable Features 的指南。应力刚化作用在单元中没有自动计算，如果对应力刚化作用需要非对称矩阵，使用nropt， unsym。在"BEAM188 Input Summary" 给出单元的输入总结。BEAM188 Input Summary节点I, J, K (K, 方向点 ,可选但被要求 )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 默认分别是 A×GXZ 和 A×GXY ，这里 A 是截面 面积 Material Properties材料属性EX, (PRXY or NUXY), A

15、LPX, DENS, GXY, GYZ, GXZ, DAMP表面力压力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).(用负数表示作用方向相反 )I 和 j 是端节点体力温度T(0,0), T(1,0), T(0,1) at each end node特殊特征Plasticity 塑性Viscoelasticit

16、y 粘弹性Viscoplasticity 粘弹性Creep 蠕变Stress stiffening 应力刚化Large deflection 大挠曲Large strain 大应变Initial stress import 初始应力引入Birth and death (requires KEYOPT(11) = 1) 单元的生死 ( 要求 keyopt(11)=1) Automatic selection of element technology 自动选择单元技术。支持下列用 TB 命令相关的数据表种类 : BISO,MISO, NLISO, B KIN, MKIN, KINH, CHABO

17、CHE, HILL, RATE, CREEP, PRONY,SHIFT, CAST, and USER.Note对于材料模型细节可以参见 ANSYS, Inc. Theory Reference 对于更多的关许单元技术选择的信息可 以参见 Automatic Selection of Element Technologies 和 ETCONTROLKEYOPT(1)扭转自由度0 -默认 ;六个自由度，不限制扭转1 -7 个自由度 ( 包括扭转 ) ， 双力矩和双曲线被输出KEYOPT(2)截面缩放比例0 -默认 ;截面因为轴线拉伸效应被缩放 ;当大变形开关打开的时候被调用。1 -截面被认为是刚

18、性的 (经典梁理论 )KEYOPT(3)插值数据0 -默认 ;线性多项式。要求划分细致。2 -二次型 (对于铁木辛哥梁单元有效 )运用中间节点 (中点点用户无法修改 )来提高单元的精度，能够精确 的表示线性变化的弯距。KEYOPT(4)剪应力输出0 -默认 ;仅仅输出扭转相关的剪应力1 -仅仅输出弯曲相关的横向剪应力。2 -紧紧输出前两种方式的组合状态。KEYOPT(6)在单元积分点输出控制0 -默认 ;输出截面力、应变、和弯距1 -和 keyopt(6)=0 相同，加上当前的截面单元2 -和 keyopt(6)=1 相同加上单元基本方向 (X 、Y 、 Z)3 -输出截面力、弯距和应力、曲率

19、，外推到单元节点。Note仅仅当 outpr ,esol 是激活状态的时候， Keyopt(6) 通过 keyopt(9) 来激活。当 keyopt(6) 、(7)、(8)和 (9) 都激活的时候，在单元输出中的应变是总应变。这个“总 ”包括温度应变。当单元材料是有塑性的时候，能够提供塑性应变和塑性作业。在 /post1，可替换的运用 prssol 命令。KEYOPT(7)输出控制在截面积分点 (当截面的亚类为 ASEC 的时候不可用 )0 -默认 ;无1 -最大和最小应力、应变2 -和 keyopt(7)=1 相同，加上每个截面点山的应力和应变。KEYOPT(8)输出控制在截面节点 (当截面

20、亚类为 ASEC 的时候不可用 )0 -默认 ;无1 -最大和最小应力、应变2 - 和 keyopt(8)=1 相同，加上沿着截面外表面的应力和应变。3 -和 keyopt(8)=1 相同，加上每个截面节点的应力和应变。KEYOPT(9)在单元节点和截面节点外推数值用的输出控制(当节点亚类为 ASEC 的时候不可用 )0 - 默认 ;无1 -最大和最小应力、应变2 -和 keyopt(9)=1 相同，加上沿着截面外边缘的应力应变3 -和 keyopt(9)=1 相同，加上所有截面节点的应力和应变。KEYOPT(10) 用户定义初始应力0 -无用户子程序来提供初始应力 (默认 )1 -从用于子程

21、序 ustress 来读取初始应力。Note参考 Guide to ANSYS User Programmable Features 帮助用户书写子程序。KEYOPT（11）设置截面属性0 -自动计算是否能够提前积分截面属性。（默认 ）1 -用户单元数值积分 （在生 /死功能的时候要求 ）KEYOPT（12）契型截面处理0 -线性变化的契型截面分析 ;截面属性在每个积分点计算 （默认 ）， 这种方法更加精确，但是计算量大。1 -平均截面分析 ;对于契型截面单元，截面属性仅仅在中点计算。这是划分网格的阶数的估计，但是， 速度快。Beam188 的输出数据这种单元用两种方式计算输出& #8

22、226; 节点唯一和反应包括全部节点的计算。& #8226; 附加的单元输出在 Table 188.1: "BEAM188 Element Output Definitions" 描述。 在需要的地点， ansys 要求 keyopt（8）=2 和 keyopt（9）=2 ，参考 ANSYS Basic Analysis Guide 来找到查 看结果的方法。要看 beam188 的 3-D 变形形状，运用 OUTRES,MISC 或者 OUTRES 命令，所有的静态和瞬态分析 的命令。要观察模态分析和特征值屈曲分析的 3-D 模态形状，必须用激活单元结果扩展模态 （

23、MXPAND 命令 Elcalc=YES 的选项 ）对于梁设计很常规的是使用轴力成分，轴力由轴向荷载和在各个端点的弯曲独立提供。因此， beam1 88 提供线性的应力输出作为它的 SMISC 输出命令的一部分，由下面的定义来指示：SDIR 是轴力引起的应力分量。SDIR=FX/A ，这里 FX 是轴力 （SMISC 的数值为 1 和 14）， A 表示截面面积。SBYT 和 SBYB 是弯曲应力分量。SBYT = -MZ * ymax / IzzSBYB = -MZ * ymin / IzzSBZT = MY * zmax / IyySBZB = MY * zmin / Iyy这里 MY 、

24、 MZ 是弯距 (SMISC 数值是 2、15、3、 16)。坐标 ymax, ymin, zmax, 和 zmin 是 y 和 z 坐标的最大和最小值。 数值 Iyy 和 Izz 是截面惯性距。 对于 ASEC 梁截面， ANSYS 用最大和最小截面尺对于 ASEC 种类的截面，最大最小的Y 和 Z 方向直接分别假定在+0.5 到-0.5 。单元应力的相应定义：EPELDIR =EX EPELBYT = -KZ *ymaxEPELBYB= -KZ * yminEPELBZT =KY * zmaxEPELBZB= KY * zmin这里 EX 、KY 和 KZ 是总应力和曲率(SMISC数值是

25、 7,8,9, 20,21和 22)输出的应力仅仅对于单元的弹性行为严格有效。Beam188 总是组合应力来支持非线性材料的行为。当单元和非线性材料相关的时候，组合应力最好作为线性近似来对待，应该谨慎的说明。 单元运用以下符号输出定义表格：在 name 列的冒号表示该项目可以通过构成名字的方法来获得 ETABLE, ESOL 。第 0 列表示该项有 效的说明在文件 Jobname.OUT 中。 R 列表示该项的结果显示在 results 文件中。无论在 0 还是 R 列中， Y 表示该项一直是可用的。数值表示描述哪里该项是选择性提供的脚注， 表示该项不提供。Beam188/beam189 基于三应力成分的表述。.单轴.双向剪切成分剪切应力由扭转和横向荷载引起。 Beam188/beam189 基于一阶剪切变形理论，和广泛知道的铁木辛 哥梁理论。横向剪切应变对于截面是常数，因此基于横向剪应力剪切能量。建立通过提前确定的梁横截面 剪应力分布系数重新分布，可以用于输出的目的。默认的， ansys 将仅仅输出扭转荷载导致的剪应力， ke yopt(4) 用来激活由屈曲和横向荷载引起的剪切应力的输出。横向剪应力的分布的精度和截面模型的单元划分精度直接成比例关系(