ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 第七章梁分析和横截面形状 梁的概况 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,梁单元可以效率更高的求解 两种新的有限元应变单元,BEAM188和BEAM89,提供了更强大的非线性分 析能力,更出色的截面数据定义功能和可视化特性。参阅 ANSYS ELements Reference中关于BEAM88和BEAM189的描述。 何为横截面? 横截面定义为垂直于梁的轴向的截面形状。 ANSYS提供了有11种常用截面 形状的梁横截面库,并支持用户自定义截面形状。当定义了一个橫截面时, ANSYS 建立一个9结点的数值模型来确定梁的截面特性(lyy,1zz等),并求解泊松方 程得到弯曲特征。 下图是一个标准的Z横截面,示出了截面的质心和剪切中心以及计算的横 截面特性: x= Centroid a= Shear Center SECTION ID 1 DATA SUMMARY 13.23 4105 =53165 Torsion Constant Centroid 468391 Centroid Z Shear Center -4.37 4.B75 =-.185819 Shear Center Z 图8-1Z向横截面图 横截面和用户自定义截面网格划分将存储在横截面库文件中。可以用LATT 命令将梁横截面属性赋给线实体。这样,横截面的特性将在用BEAM88或BEAM89 对该线划分网格时包含进去 如何生成横截面 用下列步骤生成横截面: 7-1
ANSYS 高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 7-1 第七章 梁分析和横截面形状 梁的概况 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，梁单元可以效率更高的求解。 两种新的有限元应变单元，BEAM188 和 BEAM189，提供了更强大的非线性分 析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性。参阅 ANSYS Elements Reference 中关于 BEAM188 和 BEAM189 的描述。 何为横截面？ 横截面定义为垂直于梁的轴向的截面形状。ANSYS 提供了有 11 种常用截面 形状的梁横截面库，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 结点的数值模型来确定梁的截面特性（lyy,lzz 等），并求解泊松方 程得到弯曲特征。 下图是一个标准的 Z 横截面，示出了截面的质心和剪切中心以及计算的横 截面特性： 图 8-1 Z 向横截面图 横截面和用户自定义截面网格划分将存储在横截面库文件中。可以用 LATT 命令将梁横截面属性赋给线实体。这样，横截面的特性将在用 BEAM188 或 BEAM189 对该线划分网格时包含进去。 如何生成横截面 用下列步骤生成横截面：
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 1.定义截面并与代表相应截面形状的截面号关联。 2.定义截面的几何特性数值。 ANSYS中提供了下表列出的命令完成生成、査看、列表横截面和操作横截 面库的功能:参阅 ANSYS Commands reference可以得到横截面命令的完整集合。 定义截面并与截面号关联 使用 SECTYPE命令定义截面。下面的命令将截面号2与定义号的横截面形状 (圆柱体)关联 命令: SECTYPE,2,BEAM, CSOLID SeCdatA, 5. 8 SECNUM. 2 GUI: Main Menu>Preprocessor>Settings>-Beam-Common Sects Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define> Default Attribs 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 义带特殊特性如1yy和1z2的横截面,使用子形状ASEC。 定义横截面的几何特性数值 使用 SECDATA命令定义横截面的几何数值。下面的命令将用 SECTYPE命令 定义的尺寸赋值给横截面。 CSOLID形状有两个尺寸:半径和周长上的格栅数目。 命令: SECDATA,4,6 GUI: Main Menu>Preprocessor )Sections>-Beam-Common Sects 用BEAM88/BEAM189单元划分线实体 在用BEAM88/BEAM89单元划分线实体前,要定义一些属性,包括: 要划分线的梁单元类型 生成梁单元的横截面特性号 以梁单元轴向为基准的横截面定位 生成梁单元的材料特性号 使用LATT命令将这些属性与线实体关联 命令:LATT,MAT,TYPE,,KB,, SECID GUI: Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs 与MP命令定义的材料特性相对应,材料号由MAT号指定。 TYPE 与ET命令定义的单元类型相对应,类型号由TYPE号指定。 对应于模型中的关键点号。所生成梁单元的横截面与梁的 两端点和该关键点定义的平面垂直。 SECID 与 SECTYPE命令定义的梁横截面相对应,截面号由 SECID 号指定 使用梁工具生成横截面 ECTYPE, SECDATA和 SECOFFSET命令在GUI的路径都在梁工具( BEAM TOOL) 7
ANSYS 高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 7-2 1． 定义截面并与代表相应截面形状的截面号关联。 2． 定义截面的几何特性数值。 ANSYS 中提供了下表列出的命令完成生成、查看、列表横截面和操作横截 面库的功能：参阅 ANSYS Commands Reference 可以得到横截面命令的完整集合。 定义截面并与截面号关联 使用 SECTYPE 命令定义截面。下面的命令将截面号 2 与定义号的横截面形状 （圆柱体）关联： 命令：SECTYPE,2,BEAM,CSOLID SECDATA,5,8 SECNUM,2 GUI: Main Menu>Preprocessor>Settings>-Beam-Common Sects Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs 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 义带特殊特性如 lyy 和 lzz 的横截面，使用子形状 ASEC。 定义横截面的几何特性数值 使用 SECDATA 命令定义横截面的几何数值。下面的命令将用 SECTYPE 命令 定义的尺寸赋值给横截面。CSOLID 形状有两个尺寸：半径和周长上的格栅数目。 命令：SECDATA,4,6 GUI: Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects 用 BEAM188/BEAM189 单元划分线实体 在用 BEAM188/BEAM189 单元划分线实体前，要定义一些属性，包括： ⚫ 要划分线的梁单元类型 ⚫ 生成梁单元的横截面特性号 ⚫ 以梁单元轴向为基准的横截面定位 ⚫ 生成梁单元的材料特性号 使用 LATT 命令将这些属性与线实体关联： 命令：LATT,MAT,,TYPE,,KB,,SECID GUI: Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs MAT 与 MP 命令定义的材料特性相对应，材料号由 MAT 号指定。 TYPE 与 ET 命令定义的单元类型相对应，类型号由 TYPE 号指定。 KB 对应于模型中的关键点号。所生成梁单元的横截面与梁的 两端点和该关键点定义的平面垂直。 SECID 与 SECTYPE 命令定义的梁横截面相对应，截面号由 SECID 号指定。 使用梁工具生成横截面 SECTYPE，SECDATA 和 SECOFFSET 命令在 GUI 的路径都在梁工具（BEAM TOOL）
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 中。梁工具的样式取决于所选择的梁横截面形状 梁工具的顶部是截面形状号[ SECTYPE],中部是截面偏移信息[ SECOFFSET] 底部是截面几何形状信息[ SECDATA]。 SECDATA命令定义的尺寸 图8-2梁工具(包括横截面显示) Top of Beam Too: nform ation Sub-type drop offret ti● secoFFset Information 气 L Bottom of Beam Took SECDATA Inform ation (Portion of the Beam Tool that changes depending Beam Tool Action Buttons 取决于所选截面形状。可以单击梁工具下的“Help”获取所选截面的帮助信息 在 SECDATA也有截面形状尺寸的说明。 控制横截面和用户网格库 通用截面的数据,如CHAN和RECT,可以存储在横截面库中 用 SECWRITE命令生成、存储包括用户划分网格的截面的横截面库。如果在 另一个模型中使用横截面库,使用 SECREAD命令读入。 侧向扭转屈曲分析实例(GUI方式) ANSYS Structural Analysis Guide第七章详细叙述了屈曲分析。本例分 析了悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。 问题描述 根直的细长悬臂梁,一端固定一端自由。在自由端施加载荷。本模型做 特征值屈曲分析,并进行非线性载荷和变形研究。研究目标为确定梁发生分支点 失稳(标志为侧向的大位移)的临界载荷。 问题特性参数 本例使用如下材料特性: 杨氏模量=1.0X10e4psi 7-3
ANSYS 高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 7-3 中。梁工具的样式取决于所选择的梁横截面形状： 梁工具的顶部是截面形状号[SECTYPE]，中部是截面偏移信息[SECOFFSET]， 底部是截面几何形状信息[SECDATA]。SECDATA 命令定义的尺寸 图 8-2 梁工具（包括横截面显示） 取决于所选截面形状。可以单击梁工具下的“Help”获取所选截面的帮助信息。 在 SECDATA 也有截面形状尺寸的说明。 控制横截面和用户网格库 通用截面的数据，如 CHAN 和 RECT，可以存储在横截面库中。 用 SECWRITE 命令生成、存储包括用户划分网格的截面的横截面库。如果在 另一个模型中使用横截面库，使用 SECREAD 命令读入。 侧向扭转屈曲分析实例（GUI 方式） ANSYS Structural Analysis Guide 第七章详细叙述了屈曲分析。本例分 析了悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。 问题描述 一根直的细长悬臂梁，一端固定一端自由。在自由端施加载荷。本模型做 特征值屈曲分析，并进行非线性载荷和变形研究。研究目标为确定梁发生分支点 失稳（标志为侧向的大位移）的临界载荷。 问题特性参数 本例使用如下材料特性： 杨氏模量=1.0X10e4psi
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 泊松比=0.0 本例使用如下的几何特性: L=lOin H=5in In 本例的载荷为 P=llb 问题示意图 特征值屈曲分析是线性化的计算过程,通常用于弹性结构。屈曲一般发生在 小于特征值屈曲分析得到的临界载荷时。这种分析比完全的非线性屈曲分析需要 的求解时间要少。 用户还可以做非线性载荷和位移硏究,这时用弧长法确定临界载荷。对于 更通用的分析,一般要进行崩溃分析 在模型中有缺陷时一定要做非线性崩溃分析,因为此时模型不会表现出屈 曲。可以通过使用特征值分析求解的特征向量来添加缺陷。特征向量是最接近于 实际屈曲模态在预测值。添加的缺陷应该比梁的标准厚度要小。缺陷删除了载荷 位移曲线的突变部分。通常情况下,缺陷最大不小于10%的梁厚度。 UPGEOM命 令在前一步分析的基础上添加位移并更新变形的几何特征。 第一步:设置分析名称和图形选项 1.选择菜单 Utility menu>File> Change Title。 输入“ Lateral Torsional Buckling Analysis”并单击OK 3.确认 PowerGraphics正在运行。选择菜单 Utility Menu> PlotCtrls>Sty le>Hidden-Line Options。确认 PowerGraphics选项打开并 单击OK。 4.将 Graphical Solution Tracking打开。选择菜单Main Menu> Solution>- Load Step opts- Output Ctrl> Grph Solu track并确认对话 框中 radio按钮设置为0N。单击OK 5.生成屈曲分析图的输出文件。选择菜单 Utility Menu> Plotctrls> Redirect plotsto grph file。将文件名改为 buckle.grph 7
ANSYS 高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 7-4 泊松比=0.0 本例使用如下的几何特性： L=100in H=5in B=2in 本例的载荷为： P=1lb 问题示意图 特征值屈曲分析是线性化的计算过程，通常用于弹性结构。屈曲一般发生在 小于特征值屈曲分析得到的临界载荷时。这种分析比完全的非线性屈曲分析需要 的求解时间要少。 用户还可以做非线性载荷和位移研究，这时用弧长法确定临界载荷。对于 更通用的分析，一般要进行崩溃分析。 在模型中有缺陷时一定要做非线性崩溃分析，因为此时模型不会表现出屈 曲。可以通过使用特征值分析求解的特征向量来添加缺陷。特征向量是最接近于 实际屈曲模态在预测值。添加的缺陷应该比梁的标准厚度要小。缺陷删除了载荷 -位移曲线的突变部分。通常情况下，缺陷最大不小于 10%的梁厚度。UPGEOM 命 令在前一步分析的基础上添加位移并更新变形的几何特征。 第一步：设置分析名称和图形选项 1． 选择菜单 Utility Menu>File>Change Title。 2． 输入“Lateral Torsional Buckling Analysis”并单击 OK。 3． 确 认 PowerGraphics 正 在 运 行 。 选 择 菜 单 Utility Menu>PlotCtrls>Style>Hidden-Line Options。确认 PowerGraphics 选项打开并 单击 OK。 4． 将 Graphical Solution Tracking 打开。选择菜单 Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track 并确认对话 框中 radio 按钮设置为 ON。单击 OK。 5． 生成屈曲分析图的输出文件。选择菜单 Utility Menu>PlotCtrls>Redirect Plots>To GRPH File。将文件名改为 buckle.grph
ANSYS高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 并单击OK。 第二步:定义几何模型 1.进入前处理器并生成梁的关键点。选择菜单Main Menu> Preprocessor.>- Modeling-Create> Keypoints>In Active CS,然后输入下 列关键点号和坐标值: 关键点号:1坐标值:0,0,0 关键点号:2坐标值:100,0,0 关键点号:3坐标值:50,5,0 2.在关键点1和2之间生成一条直线。选择菜单Main Menu> Preprocessor>- Modeling- create>- Lines- Lines> Straight Line。将弹出 生成直线对话框。在图形窗口选择关键点1和2并单击OK。 3.存储模型。选择菜单 Utility menu)File> Save as。在“ Save database to”对话框中输入 buckle.db作为文件名并单击OK。 第三步:定义单元类型和横截面信息 1.选择菜单 Main menu> Preprocessor> Element Type>Add/Edit/ Delete。 将弹出单元类型对话框。 2.单击Add。将出现单元类型库对话框。 3.在左列选择“ Structural beam” 4.在右列选择“3 d finite strain,3 node 189”以选中 BEAM89 5.单击OK,然后的单元类型对话框中单击 Close。 6.定义梁的矩形截面 选择菜单Main Menu> Preprocessor.〉 Sections>-Beam- Common Sects。将出现梁工具对话框。缺 省时 ANSYS将截面号设置为1,将子类型设置为RECT在子类型处图示一个矩形) 因为要生成一个矩形横截面,在子类型处不作修改 7.在梁工具对话框的底部,可以看到横截面形状和尺寸的图示。在B标志 的部分输入0.2作为横截面的宽度;在H标志的部分输入5.0作为横截面的高度 单击OK确定设置。 8.列出当前截面特性。选择菜单 Main menu> Preprocessor> Sections>list Sections。 ANSYS缺省选择特性号1。单击0K显示横截面信息。在浏览过以后, 在 SLIST窗口单击 Close 第四步:定义材料特性并定位结点 1.选择菜单 Main Menu>Preprocessor >Material Props>-Constant-Isotropic 2.单击∝K确认材料号为1。将出现各向同性材料特性对话框。 3.在杨氏模量框输入1E4。 4.在泊松比( minor)处输入0.0,并单击OK。 5.选择菜单 Utility Menu> Select〉 Entities来选择线。选择下列选项: Lines, By Num/Pick, From full并单击OK 6.出现选择线对话框。在图形窗口单击线实体。在对话框中单击OK。 7.作为线的属性定义结点定位。选择菜单Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define)All Lines. if Pick Orientation 7-5
ANSYS 高级分析技术指南 梁分析和横截面形状 7-5 并单击 OK。 第二步：定义几何模型 1． 进入前处理器并生成梁的关键点。选择菜单 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>In Active CS，然后输入下 列关键点号和坐标值： 关键点号：1 坐标值：0，0，0 关键点号：2 坐标值：100，0，0 关键点号：3 坐标值：50，5，0 2． 在关键点 1 和 2 之 间 生 成 一 条 直 线 。 选 择 菜 单 Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line。将弹出 生成直线对话框。在图形窗口选择关键点 1 和 2 并单击 OK。 3． 存储模型。选择菜单 Utility Menu>File>Save As。在“Save Database to”对话框中输入 buckle.db 作为文件名并单击 OK。 第三步：定义单元类型和横截面信息 1．选择菜单 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。 将弹出单元类型对话框。 2．单击 Add。将出现单元类型库对话框。 3．在左列选择“Structural Beam”。 4．在右列选择“3D finite strain, 3 node 189”以选中 BEAM189。 5．单击 OK，然后的单元类型对话框中单击 Close。 6．定 义 梁 的 矩 形 截 面 。 选 择 菜 单 Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects。将出现梁工具对话框。缺 省时ANSYS将截面号设置为1，将子类型设置为RECT（在子类型处图示一个矩形）。 因为要生成一个矩形横截面，在子类型处不作修改。 7．在梁工具对话框的底部，可以看到横截面形状和尺寸的图示。在 B 标志 的部分输入 0.2 作为横截面的宽度；在 H 标志的部分输入 5.0 作为横截面的高度。 单击 OK 确定设置。 8．列出当前截面特性。选择菜单 Main Menu>Preprocessor>Sections>List Sections。ANSYS 缺省选择特性号 1。单击 OK 显示横截面信息。在浏览过以后， 在 SLIST 窗口单击 Close。 第四步：定义材料特性并定位结点 1． 选 择 菜 单 Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant-Isotropic。 2． 单击 OK 确认材料号为 1。将出现各向同性材料特性对话框。 3． 在杨氏模量框输入 1E4。 4． 在泊松比(minor)处输入 0.0，并单击 OK。 5． 选择菜单 Utility Menu>Select>Entities 来选择线。选择下列选项： Lines，By Num/Pick，From Full 并单击 OK。 6． 出现选择线对话框。在图形窗口单击线实体。在对话框中单击 OK。 7． 作 为 线 的 属 性 定 义 结 点 定 位 。 选 择 菜 单 Main Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>All Lines。单击 Pick Orientation