ANSYS第8章 两单元的常用操作

ANSYS 入门教程 (10) –梁单元的常用操作

第8章两单元的常用操作

一、梁截面和实常数

梁单元是用有限元法进行梁柱体系分析时最常采用的单元类型之一。

梁单元是个线单元，需要另外定义其截面特性。

在ANSYS 中，梁单元的截面特性通常通过实常数来定义，但是，对于 BEAM44、BEAM188 和 BEAM189 也可以通过截面 (Section) 来定义梁单元的截面形状，或者定义

Section 后再由软件计算相应的截面特性，再作为实常数输入。

下面叙述定义Section 的具体操作。

1 定义标准截面-菜单：

Main Menu > Preprocessor > Section > Beam > Common Sections > 出现标准截面定义对话框：

在对话框中：

(1) 给截面命名、选择标准截面形状；

(2) 选择节点偏移方法；

(3) 输入截面数据和选择截面网格粗细程度：

如果需要，可以修改截面的横向剪切刚度和添加分布质量(单位是质量/ 长度)：

然后可以显示截面的形状和截面上的网格划分情况，以及有关的截面参数。截面上的网格是软件自动划分的，用于计算截面的几何参数。

首先选择要显示的截面和是否显示截面网格：

然后显示所选择的截面形状和几何参数：

也可以对截面列表：

列表结果：

右图显示了列表的部分内容：

对于不能使用截面的梁单元，可以将列表数据作为实常数输入到相应的梁单元类型定义

中。

需要时，可以删除已定义的截面：

2. 定义用户截面–需要先绘制相应的截面形状，然后将相应的AREA 定义为截面。操作过程如下：

(1) 绘制截面形状 - AREAs

(2) 对各线段设置网格尺寸：

对本例设置所有线段的单元长度为 4

设置网格尺寸之后：

(3) 然后定义用户截面：

ANSYS 并不马上生成新的截面，而是将新截面的数据写到一个“截面”文件中，如图，点击 OK 后将在工作目录中生成截面文件

2-C18.sec：

(4) 为了使用新定义的截面，需要读入该截面文件：

然后可以绘制该截面：

3. 定义变截面梁 (锥形梁)：

定义锥形梁之前，必须先定义锥形梁两端的截面，比如我们先定义两个矩形截面beam-4 和 beam-5 如下：

然后定义锥形 (Taper) 截面：

采用 By XYZ Location 方法，定义截面 7：

使用截面7 对线段划分梁单元：

二、为划分网格设置单元属性

在对实体划分网格之前，需要设置单元属性。一般有两种方法：设置默认属性和对实体设置属性。前者用于此后划分网格的所有实体，直到重新设置默认单元属性为止；后者

只适用于被设置属性的实体。如果同时采用了这两种设置，对实体设置的属性优先于默认属性设置。

下面分别叙述这两种设置单元属性的方法。

1 设置默认属性：

设置内容包括：单元类型、材料编号、实常数号、单元坐标系以及截面号。其中截面号和实常数号设置一个即可，若同时设置，则以截面号优先。

然后选择线，划分梁单元：

为了显示梁单元的截面形状和方位，执行菜单：

Utility Menu > PlotCtrls > Style > Size and Shape > 弹出相应的对话框，在其中激活：Display of Element

在显示梁单元时会显示其截面形状：

2 对实体设置单元属性：

下面选择一根线段设置单元属性：

对所选择的实体设置单元属性：注意：这里有一个方向点的设置。激活该选项，在对线段设置单元属性兵点击 OK 后，将要求用户选择方向 KP 点。

选择线段的方向 KP 点：

对该线段划分网格，然后绘制单元，包括其截面形状。注意：由于定义了线段的方向 KP 点，所以梁截面的方向与前面是不一样的，二者相差90°：

看一下截面 C-180：

比较可见：

对于本例，由于线段平行 x 轴，如果不定义方向点，梁单元截面的 y、z 轴分别平行总体坐标系的 y、z 轴；如果定义了方向点，则截面 z 轴位于线段两端点与方向点组成的平面内。

如果线段是任意方向，不定义方向点，截面的方位较难控制；定义方向点，则截面的方位很容易确定。因此，一般情况应该定义方向点，除非截面形状是圆形，则可以不定义方向点。

三、在梁单元上施加分布载荷

虽然梁单元是对线段划分网格得到的，但是在梁单元上施加分布载荷却不是在线段上施加分布载荷，而是直接对梁单元施加分布载荷，菜单如下：

上页的对话框中，点击 ok 后出现如下对话框，定义具体的梁单元载荷。梁单元分布载荷的方式有多种，以下是最简单的，均布载荷：

所定义梁单元均布载荷如下：

以下为在梁单元上施加分布载荷(压力) 时的有关选项：

1 分布载荷作用位置–上面对话框中的 Load Key 值–压力作用面 (face) 编号：

根据帮助文件中的有关内容 (如 BEAM4)：

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)

(对于反向载荷使用负值)

或见下页图。

图 4.1 BEAM4 几何

图中带圆圈的数字对应分布载荷定义对话框中的 Load Key；

右下角小图中的 T1～T8 为单元节点 I 和节点 J 处的各四个温度定义值。

2 定义线性变化的分布载荷

在定义梁单元分布载荷的对话框中，如果 VALI 不等于 VALJ，则定义沿梁长度方向成线性变化的分布载荷：

3 分布载荷作用范围及梁单元中间的集中力

梁单元上的分布载荷可以值作用在梁单元的部分长度上，或者是个集中力，由定义梁单元分布载荷对话框中下半部分的三个参数确定：

其中：

Ioffset 表示分布载荷的起始点到节点 I 的距离(从节点 I 到 J 的方向)，Joffset 表示分布载荷的结束点到节点 J 的距离 (从节点 J 到 I 的方向)；该“距离”可以是实际长度，也可以是与单元长度的比值。在 12 版之前，由相应梁单元的KEYOPT(10) 设置 (0 表示距离为长度，1 表示距离为与单元长度之比)；在 12 版中由参数 LENRAT 设置。如果不输入 VALJ，默认等于 VALI。

如果 JOFFSET = -1，则 VALI 表示单点集中力，作用位置由 Ioffset 确定，而VALJ 则被忽略。

在施加梁压力载荷对话框中设置线性变化的分布载荷：

在施加梁压力载荷对话框中设置单元中间的集中力载荷：

四、梁单元的后处理

梁单元的节点位移可以直接通过 Plot Result 输出：

但是梁单元的节点应力不能直接通过 Plot Result 输出：

同样，梁单元的单元应力也不能直接输出：

梁单元的应力必须以“单元表”的方式输出：

为进行单元表操作，首先需要从相应单元的帮助文件中找到应力项的标识，如 BEAM4 单元表 4.3 中的有关项：

有关项的一些解释如下：

假定要输出单元的最大、最小应力，首先定义单元表，在对话框中点击 add 添加单元表项：

注意：虽然要求输出应力，对梁单元却不能使用 Stress 对应的项。

从上面的表 4.3 中可以查到，Smax、Smin 的 item (项标识) 为 NMISC 它 (以及LS、SMISC) 属于“序列项”，以下添加节点 I 处的最大应力，序列号为 NMISC,1：

同样添加节点 I 处的最小应力，序列号为 NMISC,2：

而节点 J 处的最大和最小应力的序列号分别为 NMISC,2 和 NMISC,4。最终单元表的定义如下：

为了绘制或列表单元表数据，应当先在定义单元表操作中，点击 Update 按钮，以读取当前单元的结果数据：

然后选择一个单元表数据项进行绘图：

如果选择在节点上不平均，显示为彩色的：

如果选择在节点上平均，显示看不出彩色：

也可以绘制应力变化云图：

或者弯矩沿梁长的变化曲线：

也可以对当前梁单元的单元表数据进行列表–一次可以列出多个数据项：

列表结果：

在列表的最后，会给出各表项的最大和最小值及单元编号：

附1：如何定制 Beam188/189 单元的用户化截面

ANSYS 提供了几种通用截面供用户选用，但有时不能满足用户的特殊需求。为此，ANSYS 提供了用户创建截面（库）的方法。如果你需要创建一个非通用横截面，必须创建一个用户网格文件。具体方法是，首先创建一个 2-D 实体模型 (area)，然后利用 SECWRITE 命令将其保存：

Main Menu -> Preprocessor -> Sections -> Beam -> Write Sec Mesh

该过程的细节如下：

(1) 创建截面的几何模型（二维面模型）。

(2) 对所有线设置单元份数或者单元最大尺寸

Main Menu -> Preprocessor -> Meshing -> Size Cntrls -> Lines -> Picked Lines 或使用 MeshTool。记住：保证模型中的区格（cell）数不能超过 250 个。

(3) 选择菜单

Main Menu -> Preprocessor -> Sections -> Beam -> Write Sec Mesh

弹出一个拾取窗口，单击Pick All拾取包含区格的所有面。

(4) ANSYS 自动在所有面上创建区格。在划分网格时，ANSYS 可能显示单元形状差的消息，也可以被忽略不显示，但是总能看到一条消息“Unable to mesh area....”。如果已经完成上述工作，你清除所有面上的单元 (Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Clear> Areas)，并重复第 2、3、4 步，即必须重新控制网格密度。

(5) 如果第 4 步成功，则弹出 Write Section Library File 对话框，在 File Name 域填入一个未用过的 SECT 文件名，Drives 域指定一个截面文件存放驱动器，Directories 域指定一个截面文件存放目录，然后单击按钮 OK，完成用户截面文件建立。如果在第 3 步中给线指定太多单元份数，区格和节点的数目可能超过限制范围，必须清除所有面上的单元，重新执行第 2～4 步，直到获得合适数量的区格和节点。

完成上述工作后，必须在以后的分析中读取用户网格文件，才能在模型中使用该截面：

Main Menu -> Preprocessor -> Sections -> Beam –> Read Sect Mesh

定义成适当的截面 ID 号，就与通用梁截面完全一致。要想检查用户截面，只要绘制截面（网格）图：

Main Menu -> Preprocessor -> Sections -> Plot Section

或者列表截面属性：

Main Menu -> Preprocessor -> Sections -> List Sections

补充：

ANSYS 的梁单元中，44、188 和 189 号单元允许不用实常数，而是直接使用 Section 定义梁的截面参数；其余梁单元必须定义实常数，不能直接使用 Section 定义梁截面参数。

ANSYS 中的次泊松比 NUXY 和主泊松比 prxy

假设 Ex 大于 Ey，Vxy (PRXY) 大于 Vyx (NUXY)，因此 Vxy 一般指主泊松比，Vyx 指次泊松比。对于正交异性 (orthotropic) 材料输入何种泊松比更合适，这需要知道材料的来源。实际上，orthotropic 材料一般输入主泊松比。对于各向同性材料，哪种都一样，因为主泊松比与次泊松比相等。

1. 在正交各向异性材料中才有 PRXY 和 NUXY 的概念，其实是 PR?? 的下标与通常说的泊松比一致，而 NU?? 的下标则相反，如下

PRXY = Vxy, NUXY = Vyx

为何有主 (或大) 泊松比和次 (或小) 泊松比之分呢?原来正交各向异性的刚度矩阵(或柔度矩阵) 可以用 12 个工程常数决定，其中三个杨氏模量、六 (三对) 个泊松比和三个剪切模量。而六个泊松比是两两相关联的，故只须提供三个。ANSYS 公司为防止下标混淆，就规定假设：

Ex > Ey > Ez，

根据相关公式，如： Vxy/Vyx = Ex/Ey，Vxy 必然大于 Vyx，就称 Vxy 为大泊松比 PXY。同理得出另外两个大泊松比 PRYZ = Vyx，PRXZ = Vxz，特别注意最后一个是 PRXZ 而不是"PRZX"。

其实这一大通解释也有些废话，因为使用中三个杨氏模量的实际值并不一定按大小顺序，故 PRXY 也不一定大于 NUXY，我们只要记住主泊松比的下标与常规泊松比下标一致就足够了。