Beam4.docx
《Beam4.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Beam4.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
Beam4
Beam4单元描述
Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。
这种单元在每个节点上有六个自由度：
x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。
可用于计算应力硬化及大变形的问题。
通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。
关于本单元更详细的介绍请参阅《ansys理论手册》,关于渐变的非对称弹性梁的问题应按beam44单元考虑，三维塑性梁应按beam24单元考虑。
Beam4单元的几何模型
（如果省略节点K或Θ角为0度，则单元的Y轴平行于整体坐标系下的X－Y平面）
单元的输入数据：
关于本单元的几何模型，节点座标及座标系统详见上图。
本单元的定义通常是以下这些输入参数确定的：
二或三个节点变量，横截面积变量，两个轴惯性矩（IZZ和IYY）变量，两个厚度变量（TKZ，TKY），绕单元座标系下X轴的转角变量（θ），绕X轴（单元座标系下）扭转惯性矩（IXX）及材料属性。
如果IXX没有给定或输入值为0，那系统默认为其等于极惯性矩（IZZ＋IYY）。
IXX一般应给定且其小于极惯性矩。
单元的扭转刚度随着IXX的减小而减小。
参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。
单元的X轴的方向是指从I节点到J节点。
如果只给了两个节点参数，那单元Y轴的方向自动确定为平行于系统坐标系下的X－Y平面。
有关示例见上图。
当单元坐标的X轴平行于整体坐标系下的Z轴（包括0.01%的偏差在内），单元Y轴的方向是平行于总体坐标系下的Y轴。
用户可以通过给定θ角或定义第三个节点的方法来控制单元的方向。
如果前面的两个参数同时给定时，则以给定第三点的控制为准。
第三点一经给出就意味着定义了一个由I，J，K三点定义的平面且该平面包含了单元坐标的X与Z轴。
当本单元用于大变形分析时，那么给定的第三节点（K）或旋转角（θ）仅用来确定单元的初始状态。
（有关方向节点及单元划分的详细信息参见《实体单元分网》及《ansys建模与分网指南》。
）
关于单元的初始应变（ISTRN）通过Δ/L给定，这里的Δ是单元长度L（由节点I和J的坐标所决定）与零应变时的长度之差。
剪切变形常数（SHARZ和SHEARY）只有当考虑剪切变形时才设定，该值为零时即表示忽略了剪切变形。
KEYOPT
（2）用来控制在大变形分析时是否激活（用命令，[NLGEOM,ON]）相容切线刚度矩阵（也就是，由主切线刚度矩阵加上相容应力矩阵所组成的矩阵）。
打开这项设置则在几何非线性分析时将获得快速收敛，例如在非线性屈曲分析时就可打开该项。
但在分析刚性连结或耦合结点时不能激活该项。
在刚度急剧变化的结构分析中也不应打开该项。
KEYOPT（7）用来控制是否进行不对称回转阻尼矩阵的计算（常用于转子动态分析），所须转动频率在实常数SPIN中输入（单位为：
弧度/时间，正方向为单元X轴正向），且单元本身必须是对称的（如，IYY＝IZZ，SHEARY＝SHEARZ）。
“节点与单元荷载”一节对“单元荷载”有专门介绍。
可以在本单元的表面施加面荷载，如上图中带圈数字所示，其中箭头指向为面荷载作用正向。
横向均布压力的单位为力每单位长度，端点作用的压力应以集中力的形式输入。
KEYOPT（10）用来控制线性变化的横向压力相对单元节点的偏移量。
可在单元几何图形的八个角上设定温度值，其被当作体荷载处理。
第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF，如其它角的温度未给定时其默认值等于第一个角的温度，如给定了T1和T2则T3的默认值为T2，T4的默认值为T1；T5到T8的值默认与T1到T4的值相对应。
KEYOPT（9）用来控制两节点中间部分相关值的输出情况，值是按平衡条件得出的。
但在下列情况下这些值不能得到：
● 考虑应力硬化时［SSTIF，ON］；
● 一个以上的部件作用有角速度时［OMEGA]；
● 通过命令CGOMGA,DOMEGA,orDCG/MG作用了角速度或加速度时。
BEAM4输入参数汇总：
节点：
I,J，K（K为方向节点，是可选的）
自由度：
UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ
实常数：
AREA,IZZ,IYY,TKZ,TKY,THETA
ISTRN,IXX,SHEARZ,SHEARY,SPIN,ADDMAS
这些实常数的含义见“BEAM4实常数表”
说明：
剪切变形系数＝0，则在单元的Y方向没有剪切变形。
材料属性：
EX,ALPX,DENS,GXY,DAMP
表面荷载：
压力-（括号内为压力正值作用方向）
face1（I-J）（-Z法线方向）
face2（I-J）（－Y法线方向）
face3（I－J）（+X轴切线方向）
face4（I）（+X轴向）
face5（J）（-X轴向）
（如输入的压力为负值表示与几何模型图中方向反向作用）
体荷载：
温度作用 -- T1,T2,T3,T4，T5，T6，T7，T8
特性：
应力强化
大变形
单元生、死
单元选项：
KEYOPT
（2）应力硬化选项：
0――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时仅用于主切线刚度矩阵部分（应力硬化关效应用于线性屈曲分析或用PSTRES激活（即设为ON）后的线性预应力分析中）
1――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时用于相容切线刚度矩阵（即主切线刚度矩阵与相容应力刚度矩阵的和），且此时用于设定非线性问题中考虑应力硬化的选项将被忽略（即SSTIF,ON是无效的），另如SOLCONTROL被设为ON且NLGEOM也为ON时,KEYOPT
（2）会自动被设为1。
2――SOLCONTROL被设为ON时,也不用于相容切线刚度矩阵，这在单元用于通过设定一个大的实常数来仿真刚性体时是必要的。
其实KEYOPT
（2）=2与KEYOPT
（2）=0的意义是一样的,有所区别的是KEYOPT
（2）=0要受SOLCONTROL为ON或OFF的控制,而KEYOPT
（2）=2则不受SOLCONTROL的控制。
KEYOPT（6）控制构件力及弯矩的输出
0――不输出
1――输出单元坐标系下的构件的力与弯矩。
KEYOPT（7）控制“回转阻尼矩阵”
0――不计回转阻尼矩阵
1――计算回转阻尼矩阵，且实常数SPIN必应大于0，IYY＝IZZ。
KEYOPT（9）控制单元节点间计算点的输出情况
N――输出计算点数（N＝0,1，3,5，7,9）
KEYOPT（10）用于控制用SFBEAM指令输入荷载偏移量的输入方法：
0――以长度为单位，直接输入压力相对于I，J节点的偏移量
1――以偏移量与单元长度的比值为单位（0～1），用相对值形式输入偏移
BEAM4实常数表
序号
名称
描 述
1
AREA
横截面积
2
IZZ
惯性矩
3
IYY
惯性矩
4
TKZ
沿Z轴单元厚度
5
TKY
沿Y轴单元厚度
6
THETA
绕X轴的转角
7
ISTRN
初始应变
8
IXX
扭转惯性矩
9
SHEARZ
剪切变形常数Z[1]
10
SHEARY
剪切变形常数Y[2]
11
SPIN
转动频率（当KEYOPT（7）=1时设定）
12
ADDMAS
附加质量/单位长度
1、 SHEARZ与IZZ有关联，如果SHWARZ＝0则表示忽略单元Y方向的剪切变形；
2、 SHEARY与IYY有关连，如果SHWARY＝0则表示忽略单元Z方向的剪切变形。
BEAM4的输出数据:
单元的求解结果总体为以下两部分：
● 节点位移含全部节点解；
● 单元解，细则见“BEAM4单元输出数据一览表”
以下是对“BEAM4应力计算结果示意图”的一些说明：
如图，最大应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之和，最小应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之差。
有关求解输出的总体性介绍请见“SolutionOutput”，而有关结果内容察看的一些方法见“ANSYSBasicAnalysisGuide”
BEAM4应力计算结果示意图
以下“单元输出信息表”中第一列给出了各输出项的名称，用命令ETABLE（POST1）及ESOL（POST26）可定义这些变量用于查询。
第三列表示某一变量值是否在输出文件中给出，第四列某一变量值是否在结果文件中给出。
无论是第三还是第四列，“Y”表示可以输出，列中的具体数值则表示在满足特定条件时才输出，而“－”则表示不输出。
单元输出信息表
名称
定义
O
R
EL
单元号
Y
Y
NODES
单元节点-I,J
Y
Y
MAT
单元材料号
Y
Y
VOLU:
单元体积
-
Y
XC,YC,ZC
输出结果坐标
Y
3
TEMP
积分点上的温度 T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8
Y
Y
PRES
压力P1atnodesI,J;偏移量1atI,J;压力P2atI,J;偏移量2atI,J;压力P3atI,J;偏移量3atI,J;压力P4atI;压力P5atJ
Y
Y
SDIR
轴向正应力
1
1
SBYT
梁内单元+Y面上的弯曲应力
1
1
SBYB
梁内单元-Y面上的弯曲应力
1
1
SBZT
梁内单元+Z面上的弯曲应力
1
1
SBZB
梁内单元-Z面上的弯曲应力
1
1
SMAX
最大应力（正应力+弯曲应力）
1
1
SMIN
最小应力（正应力-弯曲应力）
1
1
EPELDIR
端部轴向弹性应变
1
1
EPELBYT
梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变
1
1
EPELBYB
梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变
1
1
EPELBZT
梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变
1
1
EPELBZB
梁内单元-Z面上的弯曲弹性应变
1
1
EPTHDIR
端点轴向热应变
1
1
EPTHBYT
梁内单元+Y面上的弯曲热应变
1
1
EPTHBYB
梁内单元-Y面上的弯曲热应变
1
1
EPTHBZT
梁内单元+Z面上的弯曲热应变
1
1
EPTHBZB
梁内单元-Z面上的弯曲热应变
1
1
EPINAXL
单元初始轴向应变
1
1
MFOR（X,Y,Z）
单元坐标系中X，Y，Z方向的力
2
Y
MMOM（X,Y,Z）
单元坐标系中X，Y，Z方向的弯矩
2
Y
说明：
1、每个单元的节点I，J及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果；
2、如果KEYOPT（6）=1；
3、仅在几何中心作*GET的一个项目可用。
“BEAM4项目和序号表”中列出了在后处理中可通过ETABLE命令加参数及数字序号的方法定义可列表察看的有关变量的细则。
详细参见《ANSYS基本分析指南》中有关“TheGeneralPostprocessor（POST1）”和“TheItemandSequenceNumberTable”部分。
下面是表格“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝0）”到“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝9）”的一些使用说明：
Name
指在“BEAM4单元输出信息表”中的有关变量。
Item
命令ETABLE中使用的参数。
E
单元数据为常数或单值时对应的序号。
I,J
节点I,J所对应的数字序号。
ILN
中间点的的顺序号
BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=0）
OutputQuantityName
（变量名）
ETABLE和ESOL命令输入项
Item
E
I
J
SDIR 轴向直接应力
LS
-
1
6
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力
LS
-
2
7
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力
LS
-
3
8
SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力
LS
-
4
9
SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力
LS
-
5
10
EPELDIR 端部轴向弹性应变
LEPEL
-
1
6
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
2
7
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
3
8
EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
4
9
EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
5
10
SMAX 最大应力（正应力+弯曲应力）
NMISC
-
1
3
SMIN 最小应力（正应力-弯曲应力）
NMISC
-
2
4
EPTHDIR 端点轴向热应变
LEPTH
-
1
6
EPTHBYT 梁内单元+Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
2
7
EPTHBYB 梁内单元-Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
3
8
EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
4
9
EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
5
10
EPINAXL单元初始轴向应变
LEPTH
11
-
-
MFORX单元坐标系中X方向的力
SMISC
-
1
7
MFORY单元坐标系中Y方向的力
SMISC
-
2
8
MFORZ单元坐标系中Z方向的力
SMISC
-
3
9
MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩
SMISC
-
4
10
MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩
SMISC
-
5
11
MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩
SMISC
-
6
12
P1 压力1在节点I,J间
SMISC
-
13
14
OFFST1压力1距节点偏移量
SMISC
-
15
16
P2 压力2在节点I,J间
SMISC
-
17
18
OFFST2压力2距节点偏移量
SMISC
-
19
20
P3 压力3在节点I,J间
SMISC
-
21
22
OFFST3压力3距节点偏移量
SMISC
-
23
24
P4压力4
SMISC
-
25
-
P5压力5
SMISC
-
-
26
PseudoNode（假节点）
1
2
3
4
5
6
7
8
温度
LBFE
1
2
3
4
5
6
7
8
BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=1）
OutputQuantityName
ETABLEandESOLCommandInput
Item
E
I
IL1
J
SDIR 轴向直接应力
LS
-
1
6
11
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力
LS
-
2
7
12
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力
LS
-
3
8
13
SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力
LS
-
4
9
14
SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力
LS
-
5
10
15
EPELDIR 端部轴向弹性应变
LEPEL
-
1
6
11
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
2
7
12
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
3
8
13
EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
4
9
14
EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
5
10
15
SMAX 最大应力（正应力+弯曲应力）
NMISC
-
1
3
5
SMIN 最小应力（正应力-弯曲应力）
NMISC
-
2
4
6
EPTHDIR 端点轴向热应变
LEPTH
-
1
6
11
EPTHBYT 梁内单元+Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
2
7
12
EPTHBYB 梁内单元-Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
3
8
13
EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
4
9
14
EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
5
10
15
EPINAXL单元初始轴向应变
LEPTH
16
-
-
-
MFORX单元坐标系中X方向的力
SMISC
-
1
7
13
MFORY单元坐标系中Y方向的力
SMISC
-
2
8
14
MFORZ单元坐标系中Z方向的力
SMISC
-
3
9
15
MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩
SMISC
-
4
10
16
MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩
SMISC
-
5
11
17
MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩
SMISC
-
6
12
18
P1 压力1在节点I,J间
SMISC
-
19
-
20
OFFST1压力1距节点偏移量
SMISC
-
21
-
22
P2 压力2在节点I,J间
SMISC
-
23
-
24
OFFST2压力2距节点偏移量
SMISC
-
25
-
26
P3 压力3在节点I,J间
SMISC
-
27
-
28
OFFST3压力3距节点偏移量
SMISC
-
29
-
30
P4压力4
SMISC
-
31
-
-
P5压力5
SMISC
-
-
-
32
PseudoNode
1
2
3
4
5
6
7
8
TEMP
LBFE
1
2
3
4
5
6
7
8
BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=3）
OutputQuantityName
ETABLEandESOLCommandInput
Item
E
I
IL1
IL2
IL3
J
SDIR 轴向直接应力
LS
-
1
6
11
16
21
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力
LS
-
2
7
12
17
22
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力
LS
-
3
8
13
18
23
SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力
LS
-
4
9
14
19
24
SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力
LS
-
5
10
15
20
25
EPELDIR 端部轴向弹性应变
LEPEL
-
1
6
11
16
21
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
2
7
12
17
22
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
3
8
13
18
23
EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
4
9
14
19
24
EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
5
10
15
20
25
SMAX 最大应力（正应力+弯曲应力）
NMISC
-
1
3
5
7
9
SMIN 最小应力（正应力-弯曲应力）
NMISC
-
2
4
6
8
10
EPTHDIR 端点轴向热应变
LEPTH
-
1
6
11
16
21
EPTHBYT 梁内单元+Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
2
7
12
17
22
EPTHBYB 梁内单元-Y面上的弯曲热应变
LEPTH
-
3
8
13
18
23
EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
4
9
14
19
24
EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变
LEPTH
-
5
10
15
20
25
EPINAXL单元初始轴向应变
LEPTH
26
-
-
-
-
-
MFORX单元坐标系中X方向的力
SMISC
-
1
7
13
19
25
MFORY单元坐标系中Y方向的力
SMISC
-
2
8
14
20
26
MFORZ单元坐标系中Z方向的力
SMISC
-
3
9
15
21
27
MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩
SMISC
-
4
10
16
22
28
MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩
SMISC
-
5
11
17
23
29
MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩
SMISC
-
6
12
18
24
30
P1 压力1在节点I,J间
SMISC
-
31
-
-
-
32
OFFST1压力1距节点偏移量
SMISC
-
33
-
-
-
34
P2 压力2在节点I,J间
SMISC
-
35
-
-
-
36
OFFST2压力2距节点偏移量
SMISC
-
37
-
-
-
38
P3 压力3在节点I,J间
SMISC
-
39
-
-
-
40
OFFST3压力3距节点偏移量
SMISC
-
41
-
-
-
42
P4压力4
SMISC
-
43
-
-
-
P5压力5
SMISC
-
-
-
-
-
44
PseudoNode
1
2
3
4
5
6
7
8
TEMP
LBFE
1
2
3
4
5
6
7
8
BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）=5）
OutputQuantityName
ETABLEandESOLCommandInput
Item
E
I
IL1
IL2
IL3
IL4
IL5
J
SDIR 轴向直接应力
LS
-
1
6
11
16
21
26
31
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力
LS
-
2
7
12
17
22
27
32
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力
LS
-
3
8
13
18
23
28
33
SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力
LS
-
4
9
14
19
24
29
34
SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力
LS
-
5
10
15
20
25
30
35
EPELDIR 端部轴向弹性应变
LEPEL
-
1
6
11
16
21
26
31
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
-
2
7
12
17
22
27
32
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变
LEPEL
升级会员 