第七章 ansys梁单元分析和横截面形状

第七章 梁分析和横截面形状

7.1 梁分析概况

梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。与实体单元和壳单元相比，梁单元求解效率更高。

本章的内容只适用于 BEAM44(三维变截面单元)和另两种有限元应变单元 BEAM188 和 BEAM189 (三维梁单元)。这些梁单元与ANSYS 的其他梁单元相比，提供了更健壮的非线性分析能力，显著地改进了截面数据定义功能和可视化特性。参阅《ANSYS Elements Reference》中关于 BEAM44、BEAM188 和 BEAM189 单元的描述。

注意--如要对 BEAM44 单元采用本章论述的横截面定义功能，必须清楚不能应用这些功能来定义斜削的截面。此外，本章所述的后处理可视化功能不能应用于 BEAM44 单元。

注意--用户定义横截面功能可能不能应用 CDWRITE 命令。 7.2 何为横截面

横截面定义为垂直于梁轴的截面的形状。ANSYS提供有11种常用的梁横截面库，并支持用户自定义截面形状。当定义了一个横截面时，ANSYS 建立一个9节点的数值模型来确定梁的截面特性(Iyy，Izz 等)，并求解泊松方程得到扭转特征。

图7-1是一个标准的Z型横截面，示出了截面的质心和剪切中心，以及计算得到的横截面特性。

图7-1 Z型横截面图

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横截面和用户自定义截面网格将存储在横截面库文件中。如果用 BEAM44、BEAM188、BEAM189 单元来模拟线实体，可用 LATT 命令将梁横截面属性赋予线实体。

7.3 如何生成横截面 用下列步骤生成横截面：

1、定义截面并与代表相应截面形状的截面号(Dection ID)关联。 2、定义截面的几何特性数值。

ANSYS 提供了表7-1 所列出的命令，可以完成横截面生成、查看、列表和操作横截面库的功能。

表7-1 ANSYS 横截面命令

命令 GUI菜单路径 MainMenu>GeneralPostproc>ListResults> SectionSolutionUtilityMenu> List>Results>SectionSolution MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu> 型 目的 PRSSOL 打印梁截面结果(BEAM44不支持) SECTYPE 用SEID关联截面子类A Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh SECDATMainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu> SECOFF定义截面几何数据 定义梁截面的截面偏SET 离 Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh SECCONMainMenu>Preprocessor>Sections>-覆盖程序计算的属性TROLS Beam-Add/Edit 值 MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribsMainMenu> 识别关联到一个单元SECNUM 的SECID Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>ElemAttributes

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MainMenu>Preprocessor>Sections>-按比例显示梁截面的T Beam-PlotSection 几何形状 SECWRIMainMenu>Preprocessor>Sections>-建立一个包含用户网TE Beam-WriteSecMesh 格自定义截面的ASCII文件 /SECLIMainMenu>Preprocessor>Sections>S设置SECREAD缺省截面B ectionLibrary>LibraryPath 库路径 MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary> SECREAD 读入用户定义的截面ImportLibraryMainMenu>Preprocess库、网格、自定义截面 or>Sections> -Beam-CustomSectns>ReadSectMesh MainMenu>Preprocessor>Sections>ListSectionsUtilityMenu> SLIST List>Properties>SectionPropertiesUtilityMenu>List>Properties> 汇总截面特性 SECPLOE SpecifiedSectionProperties SDELETMainMenu>Preprocessor>Sections>DeleteSection

删除横截面 参阅《ANSYS Commands Reference》可以得到横截面命令的完整描述。 7.3.1 定义截面并与截面号关联

使用 SECTYPE 命令定义截面并与截面号关联。下面的命令将截面号2与已定义的横截面形状(圆柱体)关联：

命令：SECTYPE,2,BEAM,CSOLID

GUI: Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sectns 要定义自己的横截面，使用子形状(ANSYS提供的形状集合) MESH。要定义带 Iyy 和 Izz 的横截面，使用子形状 ASEC。

7.3.2 定义横截面几何特性和设置截面属性点

接着如上所示的 SECTYPE 命令之后，使用 SECDATA 命令来定义横截面的几何特性。注意 CSOLID 子形状有两个尺寸：半径和沿周向的格数。这样，下面的 SECDATA 命令指定圆截面梁的半径为 5，周向的格数为 8。通过SECNUM

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命令设置截面的属性点为2。

命令：SECDATA, 5, 8 SECNUM, 2

GUI：Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sectns Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs 7.3.2.1 确定要定义的格数

通常，在建立横截面时，用户不需要设置格数。ANSYS 将通过缺省的积分规则，计算截面值，如截面面积、对坐标轴的惯性矩，并将得出数值上精确的结果。

由于扭转常数从网格中导出，所以扭转常数的精度，与截面网格尺寸成正比。ANSYS 应用的缺省网格的精度符合工程应用要求。

对于常用的截面，可用两种方法指定网格尺寸。

应用[SECTYPE,REFINEKEY] 来设置薄璧截面的网格加密水平(CTUBE,CHAN,I,Z, L,T,HATS,HREC)。

应用 SECDATA 命令指定实体截面(RECT,QUAD,CSOLID)的划分数。 薄璧截面在厚度上最少有2个积分点，所以应用薄璧截面所得到的结果，对于材料非线性分析，应当是可接受的。

但是，在进行塑性分析时，对于实体截面的缺省格数可能需要改变。下面是 ANSYS 生成的实体截面网格，以及用户可能希望用它们进行的分析类型。

图7-2 截面网格的类型

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7.3.3 用 BEAM44,BEAM188,BEAM189 单元模拟线模型

在用 BEAM44、BEAM188、BEAM189 单元划分线实体前，要定义一些属性，包括：

生成梁单元的材料设置属性点； 要划分线的梁单元类型；

以梁单元的轴向为基准的截面定位；参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》§7.5.2；

生成梁单元的截面号。

使用 LATT命令将这些属性与选择的线实体关联： 命令：LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID Lines

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Picked

其中：

MAT--与所选择的尚未划分网格的线关联的材料号； TYPE--与所选择的尚未划分网格的线关联的类型号；

KB--对应于模型中的关键点号。所生成的梁单元的横截面按这样定向，梁的Z轴将位于由线的两端点和该关键点定义的平面；

SECID--与SECTYPE 命令定义的梁横截面相对应，截面号由 SECNUM 指定。

7.4 建立截面 有两类梁截面： 一般截面； 自定义截面。

自定义截面可用标准的几何形状和单个材料来描述。自定义截面可由任意几何形状定义，还可以包含若干各向同性材料。

7.4.1 使用梁工具生成通用横截面

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