ANSYS结构分析指南梁分析和横截面形状.docx
《ANSYS结构分析指南梁分析和横截面形状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ANSYS结构分析指南梁分析和横截面形状.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
ANSYS结构分析指南梁分析和横截面形状
ANSYS结构分析指南第七章 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《ANSYSElementsReference》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7-1Z型横截面图
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（DectionID）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
目的
PRSSOL
MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>
SectionSolutionUtilityMenu>
List>Results>SectionSolution
打印梁截面结果（BEAM44不支持）
SECTYPE
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu>
Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh
用SEID关联截面子类型
SECDATA
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns
定义截面几何数据
SECOFFSET
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectnsMainMenu>
Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh
定义梁截面的截面偏离
SECCONTROLS
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-Add/Edit
覆盖程序计算的属性值
SECNUM
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribsMainMenu>
Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>ElemAttributes
识别关联到一个单元的SECID
SECPLOT
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-PlotSection
按比例显示梁截面的几何形状
SECWRITE
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh
建立一个包含用户网格自定义截面的ASCII文件
/SECLIB
MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>LibraryPath
设置SECREAD缺省截面库路径
SECREAD
MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>
ImportLibraryMainMenu>Preprocessor>Sections>
-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh
读入用户定义的截面库、网格、自定义截面
SLIST
MainMenu>Preprocessor>Sections>ListSectionsUtilityMenu>
List>Properties>SectionPropertiesUtilityMenu>List>Properties>
SpecifiedSectionProperties
汇总截面特性
SDELETE
MainMenu>Preprocessor>Sections>DeleteSection
删除横截面
参阅《ANSYSCommandsReference》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:
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns
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命令设置截面的属性点为2。
命令：
SECDATA,5,8
SECNUM,2
GUI：
MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSectns
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>DefaultAttribs
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
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《ANSYSModelingandMeshingGuide》§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
GUI:
MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>PickedLines
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
SECTYPE、SECDATA和SECOFFSET命令（MainMenu>Preprocessor>-Beam-CommonSectns），都与GUI上的梁工具（BEAMTOOL）关联。
梁工具的样式取决于所选择的梁横截面子形状：
图7-3 梁工具对话框（包括子类型下拉框）
梁工具的顶部，是截面形状号（以及截面名）[SECTYPE]，中部是需要时定义截面偏移的信息[SECOFFSET]，底部是截面几何形状信息[SECDATA]。
SECDATA命令定义的尺寸取决于所选子类型。
可以单击梁工具下的Help按钮获取所选截面的帮助信息。
在SECDATA命令描述中，也有对截面形状尺寸的说明。
7.4.2 通过用户定义网格建立自定义截面
如果用户要定义不常用的截面，必须建立用户网格文件。
为了建立用户网格文件，首先要建立一个2D实体模型，然后用SECWRITE命令保存（MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh）。
下面讨论这一过程：
1、建立所有的区域（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-）。
2、把区域重叠（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Booleans-Overlap>Areas），或粘合在一起（MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>-Booleans-Glue>Areas）。
3、保存模型。
4、对所有线设置划分数（MainMenu>Preprocessor>-Meshing-SizeCntrls>-Lines-PickedLinesorusetheMeshTool）。
5、选择“MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-WriteSecMesh”，出现拾取框，拾取格子的面。
6、ANSYS在该面建立格子。
在分网期间，ANSYS可能显示不佳形状的信息，可以忽略这些信息。
但是也可能看到“Unabletomesharea....”信息。
如果这样，把所有面上的单元清除（MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Clear>Areas），并重复第4、5步。
7、在“WriteSectionLibraryFile”对话框中，用一个唯一的文件名保存“.SECT”文件。
然后按“OK”。
8、读入用户网格文件（MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CustomSectns>ReadSectMesh），计算截面特性。
注意--即使已经设置了LESIZE,也将看到这样的信息：
“Lineelementsizesmayneedtobespecifiedfordesiredcross-sectionmesh.PleaserefertotheLESIZEcommand.”如果已经设置了线单元的尺寸，按“Close”继续。
如果还未设置，则应用LESIZE命令及合适的信息。
7.4.3 用网格加密和多种材料建立自定义截面
在进行分析时，用户可能需要加密截面网格。
可以定义含多种材料的截面来代表层状、加筋、或传感器。
在定义一个多种材料的截面时，需要指定每一个截面格子的材料，也可以取出以前建立的截面来修改。
按如下步骤建立自定义的加密网格或含多种材料的截面：
1、从ANSYS数据库读入一个常用截面（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>EditCommon），或者从“.SECT”文件读入自定义截面（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>EditCustom）。
2、ANSYS在图形窗口显示MESH200图。
3、对截面网格进行加密（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>RefineMesh）。
4、修正格子材料（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>ModifyMaterial），如果要建立多种材料的截面，先定义材料。
这是计算剪切修正系数和材料质心所需要的。
5、用SECWRITE命令（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustonSectns>Edit/Built-up>Save），把截面保存为一个“.SECT”文件。
6、读入用户网格文件（MainMenu>Preprocessor>Sections>CustomSectns>Edit/Compsite>ReadSectMesh），计算截面特性以及在分析中应用自定义截面。
注意--如果用户在建立截面后，重新定义材料，必须再用SECTYPE和SECREAD命令重新计算截面。
注意—当截面含多种材料，并且通过/ESHAPE命令来产生应力等值线（或其他量）时，应力将通过材料边界平均。
为了限制这种行为，在材料边界上采用小的横截面格子。
7.4.4 定义复合截面
复合截面是指最少包含两种材料和用户定义网格的截面。
在建立复合截面时，要在执行SECTYPE和SECDATA命令前定义材料。
这是计算剪力修正系数、材料质心和剪切中心所需要的。
注意--如果在建立截面后，重新定义材料，必须应用SECDATA命令重新计算截面。
用户可以把复合截面保存为自定义截面。
参见§7.4。
7.5 管理横截面和用户网格库
常用截面的数据如CHAN和RECT可以保存在截面库中。
为了建立标准的截面以备后用，可以建立一个或多个截面，编辑Jobname.LOG文件，并把合适的SECTYPE,SECDATA,和SECOFFSET命令拷贝到扩展名为“.SECT”的各个文件中。
这些预定义的截面，以后可用/SECLIB命令（MainMenu>Preprocessor>Sections>SectionLibrary>ImportLibrary）读入模型。
7.6 横向扭转屈曲分析实例（GUI方式）
可以用BEAM188和BEAM189单元来模拟直梁的弯曲和剪切，也可以模拟梁的横向扭转屈曲。
为了建立这一模型，需要建立足够密的梁单元网格。
典型地，需要用一系列的梁单元来模拟一根直梁。
如图7-4所示。
图7-4 悬臂梁的横向扭转屈曲
悬臂梁的横向扭转屈曲，用60个BEAM188单元模拟（通过/ESHAPE显示）
《ANSYSStructuralAnalysisGuide》§7详细叙述了屈曲分析。
本例分析悬臂梁在末端承受横向载荷时的行为。
7.6.1 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支点失稳（标志为侧向的大位移）的临界载荷。
参见图7-5。
7.6.2 问题特性参数
材料特性：
杨氏模量=1.0X10e4psi；泊松比=0.0。
几何特性：
L=100in；H=5in；B=2in。
载荷为：
P=1lb。
7.6.3 草图
图7-5 梁的变形
7.6.4 特征值屈曲和非线性破坏分析
特征值屈曲分析是线性分析，通常仅适用于弹性结构。
通常在小于特征值屈曲分析得到的临界载荷之前发生材料屈服。
这种分析比完全非线性屈曲分析所需的求解时间要少。
用户还可以用弧长法做非线性载荷-位移研究，这时用弧长法确定临界载荷。
对于更一般的情况，需要进行破坏分析。
模型有缺陷时，必须做非线性破坏分析，因为完美模型不会表现出显著的屈曲。
可以通过使用特征值分析得到的特征向量，来加入缺陷。
求得的特征向量是对实际屈曲模态最接近的预测。
添加的缺陷与梁的典型厚度相比，应为小量。
缺陷删除了载荷-位移曲线的突变部分。
通常情况下，缺陷最大值为梁厚度的1%～10%。
UPGEOM命令在前一步分析的基础上添加位移，并把几何形状更新到变形后的形状。
7.6.5 设置分析名称和定义模型的几何实体
1、选择菜单“UtilityMenu>File>ChangeTitle”。
2、输入“LateralTorsionalBucklingAnalysis”并单击OK。
3、定义关键点。
选择“MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>InActiveCS”，输入下表所示的关键点号和坐标：
关键点号
X坐标
Y坐标
Z坐标
按这个按钮接受
1
0
0
0
Apply
2
100.0
0
0
Apply
3
50
5
0
OK
4、在关键点1和2之间建立直线。
选择MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>StraightLine，出现“CreateStraightLinepicker”窗口，在图形窗口中拾取关键点1和2，然后按“OK”。
5、保存模型。
选择UtilityMenu>File>SaveAs。
将文件名存为“buckle.DB”，并单击OK。
7.6.6 定义单元类型和横截面信息
1、选择“MainMenu>Preferences”，单击“Structural”检查框。
按“OK”。
2、选择“MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete”。
出现“ElementTypes”对话框。
3、单击“Add...”。
出现“LibraryofElementTypes”对话框。
4、在左列选择“StructuralBeam”。
5、在右列选择“3Dfinitestrain,3node189”以选中BEAM189。
7、定义梁的矩形截面。
选择“MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSects”。
出现“BeamTool”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）。
因为是矩形横截面，在子类型处不需要修改。
8、在“BeamTool”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。
按“OK”。
9、通过“BeamTool”对话框显示当前截面特性。
按“Preview”。
在图形窗口显示截面图和数据汇总。
按“Meshview”查看截面网格。
按“Close”。
7.6.7 定义材料特性和定位节点
1、选择“MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”。
出现“DefineMaterialModelBehavior”对话框。
2、在“MaterialModelsAvailable”窗口右侧，双击“Structural->Linear->Elastic->Isotropic”，出现一个对话框。
3、输入弹性模量EX=1.0E4。
4、输入PRXY=0.0，并按“OK”。
现在左侧出现“MaterialModelNumber1”。
5、选择“Material>Exit”。
6、选择“UtilityMenu>Plot>Lines”重新画线。
7、选择线，定义线的定向属性。
选择“MainMenu>Preprocessor>-Attributes-Define>PickedLines.”。
出现“LineAttributes”拾取框。
在图形窗口选择线，然后在“LineAttributes”中按“Apply”。
8、出现“LineAttributes”对话框。
缺省时，ANSYS将材料特性指向1，将单元类型号指向1，并将截面特性号指向1。
按“PickOrientationKeypoint（s）”边的单选框，使它为“YES”，然后按“OK”。
9、再次出现“LineAttributes”对话框。
在ANSYS图形窗口输入3，并按回车。
最后在对话框中按“OK”。
10、存储模型。
选择“UtilityMenu>File>SaveAs”。
如还未保存为“buckle.db”，则选择之。
如果已经存在“buckle.db”，当ANSYS询问是否覆盖时，按“OK”。
7.6.8 对线划分网格并确认梁的定位
1、定义网格尺寸
升级会员 