ANSYS结构分析指南梁分析和横截面形状.docx

1、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ANSYS Elements Reference中关于 BEAM44、BEAM188 和 BEAM189 单元的描述。 注意-如要对 BEAM44 单元采

2、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型横截面图横截面和用户自定义截面网格将存储在横截面库文件中

3、。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菜单路径目的PRSSOLMainMenuGeneralPostprocListResultsSectionSolutionUtilityMenuListResultsSectionSolution打印梁

4、截面结果(BEAM44不支持)SECTYPEMainMenuPreprocessorSections-Beam-CommonSectnsMainMenuPreprocessorSections-Beam-CustomSectnsReadSectMesh用SEID关联截面子类型SECDATAMainMenuPreprocessorSections-Beam-CommonSectns定义截面几何数据SECOFFSETMainMenuPreprocessorSections-Beam-CommonSectnsMainMenuPreprocessorSections-Beam-CustomSectns

5、ReadSectMesh定义梁截面的截面偏离SECCONTROLSMainMenuPreprocessorSections-Beam-Add/Edit覆盖程序计算的属性值SECNUMMainMenuPreprocessor-Attributes-DefineDefaultAttribsMainMenuPreprocessor-Modeling-CreateElementsElemAttributes识别关联到一个单元的SECIDSECPLOTMainMenuPreprocessorSections-Beam-PlotSection按比例显示梁截面的几何形状SECWRITEMainMenuPre

6、processorSections-Beam-WriteSecMesh建立一个包含用户网格自定义截面的ASCII文件/SECLIBMainMenuPreprocessorSectionsSectionLibraryLibraryPath设置SECREAD缺省截面库路径SECREADMainMenuPreprocessorSectionsSectionLibraryImportLibraryMainMenuPreprocessorSections-Beam-CustomSectnsReadSectMesh读入用户定义的截面库、网格、自定义截面SLISTMainMenuPreprocessorSe

7、ctionsListSectionsUtilityMenuListPropertiesSectionPropertiesUtilityMenuListPropertiesSpecifiedSectionProperties汇总截面特性SDELETEMainMenuPreprocessorSectionsDeleteSection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

8、,CSOLIDGUI: Main MenuPreprocessorSections-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 命令设置截面的属性点为2。 命令：SECDATA, 5,

9、 8 SECNUM, 2 GUI：Main MenuPreprocessorSections-Beam-Common Sectns Main MenuPreprocessor-Attributes-DefineDefault 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SECTY

10、PE,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

11、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 Guide7.5.2； 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,SECIDGUI: Main MenuPreprocessor-Attributes-DefinePicked Lines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

12、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(Main Menu Preprocessor-Beam-Common Sectns)，都与GUI上的梁工具(BEAM TOOL)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

13、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(Main MenuPreprocessor Sections -Beam- Write Se

14、c Mesh)。下面讨论这一过程：1、建立所有的区域(Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-)。 2、把区域重叠(Main MenuPreprocessor-Modeling-Operate -Booleans-Overlap Areas)，或粘合在一起(Main MenuPreprocessor -Modeling-Operate-Booleans-GlueAreas)。 3、保存模型。 4、对所有线设置划分数(Main MenuPreprocessor -Meshing-Size Cntrls-Lines-Picked Lines or u

15、se the MeshTool)。 5、选择“Main MenuPreprocessorSections-Beam-Write Sec Mesh”，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“Unable to mesh area.”信息。如果这样，把所有面上的单元清除(Main MenuPreprocessor-Meshing-Clear Areas)，并重复第4、5步。 7、在“Write Section Library File”对话框中，用一个唯一的文件名保存“.SECT”文件。然后按“O

16、K”。 8、读入用户网格文件(Main MenuPreprocessorSections -Beam-Custom Sectns Read Sect Mesh)，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：“Line element sizes may need to be specified for desired cross-section mesh. Please refer to the LESIZE command.”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

17、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(Main MenuPreprocessorSections Custom SectnsEdit/Compsite Edit Common)，或者从“.SECT”文件读入自定义截面(Main MenuPreprocessorSections Custom SectnsEdit/Compsite Edit Cus

18、tom)。 2、ANSYS 在图形窗口显示 MESH200 图。 3、对截面网格进行加密(Main MenuPreprocessorSectionsCustom SectnsEdit/ CompsiteRefine Mesh) 。 4、修正格子材料(Main MenuPreprocessorSections Custom SectnsEdit/ Compsite Modify Material)，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(Main MenuPreprocessorSectionsCuston SectnsEd

19、it/ Built-upSave)，把截面保存为一个“.SECT”文件。 6、读入用户网格文件(Main MenuPreprocessorSections Custom SectnsEdit/Compsite Read Sect Mesh)，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

20、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

21、后可用 /SECLIB 命令(Main MenuPreprocessorSectionsSection LibraryImport Library)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)ANSYS Structural Analysis Guide7 详细叙述了

22、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=1.0X10e4 psi；泊松比=0.0。几何特性：L=100 in；H=5 in；B=2 in。载荷为：P=1 lb。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

23、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“Utility MenuFi

24、leChange Title”。2、输入“Lateral Torsional Buckling Analysis”并单击OK。3、定义关键点。选择“Main MenuPreprocessor -Modeling- CreateKeypoints In Active CS”，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1000Apply2100.000Apply35050OK4、在关键点1和2之间建立直线。选择Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Lines-LinesStraight Line，出现“Create Straight

25、 Line picker”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Utility MenuFileSave As。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“Main MenuPreferences”，单击“Structural”检查框。按“OK”。 2、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete”。出现“Element Types”对话框。 3、单击“Add.”。出现“Library of Element Types ”对话框。4、在左列选择“Stru

26、ctural Beam”。5、在右列选择“3D finite strain, 3 node 189”以选中 BEAM189。 7、定义梁的矩形截面。选择“Main MenuPreprocessorSections-Beam-Common Sects”。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

27、、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“Main MenuPreprocessor Material PropsMaterial Models”。出现“Define Material Model Behavior”对话框。 2、在“Material Models Available”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

28、 PRXY=0.0，并按“OK”。现在左侧出现“Material Model Number 1”。 5、选择“MaterialExit”。6、选择“Utility MenuPlotLines”重新画线。 7、选择线，定义线的定向属性。选择“Main MenuPreprocessor-Attributes-Define Picked Lines.”。出现“Line Attributes”拾取框。在图形窗口选择线，然后在“Line Attributes”中按“Apply ”。8、出现“Line Attributes”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“Pick Orientation Keypoint(s)”边的单选框，使它为“YES”，然后按“OK”。9、再次出现“Line Attributes”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“Utility MenuFileSave As”。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