ANSYS Beam188单元应用.docx

1、ANSYS Beam188单元应用Beam188/189单元基于Timoshenko梁理论（一阶剪切变形理论：横向剪切应变在横截面上是常数，也就是说，变形后的横截面保持平面不发生扭曲）而开发的，并考虑了剪切变形的影响，适合于分析从细长到中等粗细的梁结构。该单元提供了无约束和有约束的横截面的翘曲选项。Beam188是一种3D线性、二次或三次的2节点梁单元。Beam189是一种3D二次3节点梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，包括x、y、z 方向的平动自由度和绕x、y、z 轴的转动自由度，还有一个可选择的翘曲自由度。该单元非常适合线性、大角度转动或大应变非线性问题。beam188的应力刚化选项在

2、任何大挠度分析中都是缺省打开的，从而可以分析弯曲、横向及扭转稳定问题(进行特征值屈曲分析或（采用弧长法或非线性稳定法）破坏研究)。Beam188/beam189单元支持弹性、塑性，蠕变及其他非线性材料模型。这种单元还可以采用多种材料组成的截面。该单元还支持横向剪力和横向剪应变的弹性关系，但不能使用高阶理论证明剪应力的分布变化。下图是单元几何示意图：该单元的几何形状、节点位置、坐标体系和压力方向如图所示，beam188 由整体坐标系的节点i 和j 定义。 对于Beam188梁单元，当采用默认的KEYOPT(3)=0，则采用线性的形函数，沿着长度用了一个积分点，因此，单元求解量沿长度保持不变；当K

3、EYOPT(3)=2，该单元就生成一个内插节点，并采用二次形函数,沿长度用了两个积分点，单元求解量沿长度线性变化；当KEYOPT(3)=3，该单元就生成两个内节点，并采用三次形函数,沿长度用了三个积分点，单元求解量沿长度二次变化；当在下面情况下需要考虑高阶单元内插时，推荐二次和三次选项：1） 变截面的单元；2） 单元内存在非均布荷载（包含梯形荷载）时，三次形函数选项比二次选项提供更好的结果。（对于局部的分布荷载和非节点集中荷载情况，只有三次选项有效）；3） 单元可能承受高度不均匀变形时。（比如土木工程结构中的个别框架构件用单个单元模拟时）Beam188单元的二次和三次选项有两个限制：1） 虽然

4、单元采用高阶内插，但是beam188的初始几何按直线处理；2） 因为内节点是不可影响的，所以在这些节点上不允许有边界（或荷载或初始）条件。由于这些限制，所以如果beam189模型的中间节点作用有边界（或荷载或初始）条件或者中间节点不在单元中点时，需要注意beam188的二次选项和beam189的差异。同样，beam188的三次选项不同于传统三次（Hermitian）梁单元。未变形的状态决定了计算扭转作用的St.Venant 翘曲函数，该翘曲函数用来定义屈服后的剪应变。Ansys在 没有提供选项来重新计算在分析过程中变形状态的横截面扭转剪力分布和横截面可能的部分塑性屈服。因此，由扭转作用引起的大

5、的非弹性变形需要谨慎处理和验证。在这样的情况下，推荐采用solid 或者shell 单元来模拟。Beam188 可以在没有方向节点的情况下被定义。在这种情况下，单元的x 轴方向为i 节点指向j 节点。对于两节点的情况，默认的y 轴方向按平行x-y 平面自动计算。对于单元平行与z 轴的情况(或者斜度在0.01%以内)，单元的y 轴的方向平行与整体坐标的y 轴(如图)。用第三个节点的选项，用户可以定义单元的x 轴方向。如果两者都定义了，那么第三节点的选项优先考虑。第三个节点(K)，如果采用的话，将和i、j 节点一起定义包含单元x 轴和z 轴的平面(如图)。如果该单元采用大变形分析，需要注意这个第三

6、号节点紧紧在定义初始单元方向的时候有效。Beam188/beam189 提供在积分点和界面节点输出的选项。你可以要求紧紧在截面的外表面输出。(PRSSOL 打印截面节点和截面积分点结果。应力和应变在截面的截面打印，塑性应变，塑性作用，蠕变应力在截面的积分点输出。当与单元相关的材料有非弹性的行为或者当截面的温度在截面中有变化，基本计算在截面的积分点上运行。对于更多的普通的弹性的运用，单元运用预先计算好的单元积分点上的截面属性。无论如何，应力和应变通过截面的积分点输出来计算。如果截面指定为ASEC 亚类，仅仅广义的应力和应变(轴力、弯距、横向剪切、弯曲、剪应力)能够输出。3-D 轮廓线和变形形状不

7、能输出。ASEC 亚类紧紧可以作为细矩形来显示来定义梁的方向。Beam188/beam189 能够对组合梁进行分析，(例如，那些由两种或者两个以上材料复合而成的简单的实体梁)。这些组件被假设为完全固接在一起的。因此，该梁表现为一单一的元件。多材料截面能力仅仅在梁的行为假定(铁木辛哥或者伯努力欧拉梁理论)成立的时候能运用。用其他的话说，支持简单的传统铁木辛哥梁理论的扩展。在这些地方可能应用到：& #8226; 双层金属带& #8226; 带金属加固的梁& #8226; 位于不同材料组成的层上的传感器Beam188/beam189 计算在截面刚度水平上的弯距和扭距的耦合。横向的剪切也作为一个独立的

8、量来计算。这对于分层的组合物和夹层量可能会有很大的影响，如果街头处不平衡。Beam188/189 没有用高阶理论来计算剪切应力的变更贡献，如果这些作用必须考虑的话，就需要运用ANSYS 实体单元。要使beam188/beam189 用于特殊的应用，作试验或者其他的数值分析。在合适验证后使用对于组合截面的约束扭曲的选项对于质量矩阵和一致荷载向量的赋值，比刚度矩阵使用的规则更高阶积分规则被使用到。单元支持一致质量矩阵和集中质量矩阵。用LUMPM，ON 命令来激活集中质量矩阵。一致质量矩阵时默认使用的。每单位长度的附加质量将用ADDMAS 截面控制来输入，参见BEAM188 Input Summar

9、y。在节点(这些截面定义了单元的x 轴)上施加力，如果重心轴和单元的x 轴不是共线的，施加的轴力将产生弯距。如果质心和剪切中心不是重合的，施加的剪切力将导致扭转应力和弯曲。因而需要设置节点在那些你需要施加力的位置。可以适当的使用secoffset 命令中的offsety 和offsetz 自变量。默认的，ansys 会使用量单元的质心作为参考轴。单元荷载在Node and Element Loads 被描述。压力可能被作为单元表面力被输入，就像Figure 188.1: BEAM188 Geometry中带圈的数字所示。正的压力指向单元内部。水平压力作为单元长度的力来输入。端部的压力作为力输入

10、。当keyopt(3)=0 的时候(默认)，beam188 基于线性多项式，和其他的基于厄密多项式的单元(例如beam44)不同，一般来说要求网格划分要细化。当keyopt(3)=2，ansys 增加了一个中间积分点在内插值图标，有效的使得单元成为基于二次型功能的铁木辛哥梁。这个选项迫切被要求，除非这个单元作为刚体使用，而且你必须维持和一阶shell 单元的兼容性。线性变化的弯距被经且的表现。二次选项和beam189 相似，有如下的不同：& #8226; 不论是否使用二次选项，beam188 单元最初始的几何总是直线。& #8226; 你不能读取中间节点，所以边界条件/荷载不能在那些节点描述。

11、均布荷载是不允许描述偏移的。不支持非节点的集中力。用二次选项(keyopt (3)=2 当单元大和契型截面相关。温度可以作为单元的体力在梁的每个端部节点的三个位置输入，单元的温度在单元的x 轴被输入(T(0，0),和在离开x 轴一个单元长度的y 轴(T(1，0)， 和在离开x 轴一个单元长度的z 方向(T(0，1)。第一坐标温度T(0，0) 默认是TUNIF。如果所有的温度在第一次以后是没有指明的，那么它们默认的就为第一次输入的温度。如果所有i 节点的温度均输入了，j 节点的都没有指明，那么j 节点的温度默认的是等于i 节点的温度。对于其他的输入模式，没有指明的温度默认的是TUNIF。你可以对

12、该单元通过istress 和isfile 命令来定义初始应力状态。要获取更多的信息，可以参考ANSYS Basic Analysis Guide的Initial Stress Loading。可以替换的，你可以设置keyopt(10)=1 来从用户的子程序ustress 来读取出初始应力。关于用户子程序的详细资料，参见ANSYS User Programmable Features 的指南。应力刚化作用在单元中没有自动计算，如果对应力刚化作用需要非对称矩阵，使用nropt，unsym。在BEAM188 Input Summary给出单元的输入总结。BEAM188 Input Summary节点

13、I, J, K (K, 方向点,可选但被要求)自由度UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ if KEYOPT(1) = 0 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, WARP if KEYOPT(1) = 1 Section Controls截面控制TXZ, TXY, ADDMAS (See SECCONTROLS) (TXZ and TXY default to A*GXZ and A*GXY, respectively, where A = cross-sectional area) TXZ 和TXY 默认分别是AGXZ 和AGXY，这里A 是截面面积

14、Material Properties材料属性EX, (PRXY or NUXY), ALPX, DENS, GXY, GYZ, GXZ, DAMP表面力压力face 1 (I-J) (-z normal direction),face 2 (I-J) (-y normal direction),face 3 (I-J) (+x tangential direction),face 4 (J) (+x axial direction),face 5 (I) (-x direction).(用负数表示作用方向相反)I 和j 是端节点体力温度T(0,0), T(1,0), T(0,1) at ea

15、ch end node特殊特征Plasticity 塑性Viscoelasticity 粘弹性Viscoplasticity 粘弹性Creep 蠕变Stress stiffening 应力刚化Large deflection 大挠曲Large strain 大应变Initial stress import 初始应力引入Birth and death (requires KEYOPT(11) = 1) 单元的生死(要求keyopt(11)=1) Automatic selection of element technology 自动选择单元技术。支持下列用TB 命令相关的数据表种类: BISO,

16、MISO, NLISO, BKIN, MKIN, KINH, CHABOCHE, HILL, RATE, CREEP, PRONY,SHIFT, CAST, and USER.Note对于材料模型细节可以参见ANSYS, Inc. Theory Reference 对于更多的关许单元技术选择的信息可以参见Automatic Selection of Element Technologies 和ETCONTROLKEYOPT(1)扭转自由度0 -默认;六个自由度，不限制扭转1 -7 个自由度(包括扭转)， 双力矩和双曲线被输出KEYOPT(2)截面缩放比例0 -默认;截面因为轴线拉伸效应被缩放;

17、当大变形开关打开的时候被调用。1 -截面被认为是刚性的(经典梁理论)KEYOPT(3)插值数据0 -默认;线性多项式。要求划分细致。2 -二次型(对于铁木辛哥梁单元有效)运用中间节点(中点点用户无法修改)来提高单元的精度，能够精确的表示线性变化的弯距。KEYOPT(4)剪应力输出0 -默认;仅仅输出扭转相关的剪应力1 -仅仅输出弯曲相关的横向剪应力。2 -紧紧输出前两种方式的组合状态。KEYOPT(6)在单元积分点输出控制0 -默认;输出截面力、应变、和弯距1 -和keyopt(6)=0 相同，加上当前的截面单元2 -和keyopt(6)=1 相同加上单元基本方向(X、Y、Z)3 -输出截面力

18、、弯距和应力、曲率，外推到单元节点。Note仅仅当outpr ,esol 是激活状态的时候，Keyopt(6)通过keyopt(9) 来激活。当keyopt(6) 、(7)、(8)和(9) 都激活的时候，在单元输出中的应变是总应变。这个“总”包括温度应变。当单元材料是有塑性的时候，能够提供塑性应变和塑性作业。在/post1，可替换的运用prssol 命令。KEYOPT(7)输出控制在截面积分点(当截面的亚类为ASEC 的时候不可用)0 -默认;无1 -最大和最小应力、应变2 -和keyopt(7)=1 相同，加上每个截面点山的应力和应变。KEYOPT(8)输出控制在截面节点(当截面亚类为ASE

19、C 的时候不可用)0 -默认;无1 -最大和最小应力、应变2 -和keyopt(8)=1 相同，加上沿着截面外表面的应力和应变。3 -和keyopt(8)=1 相同，加上每个截面节点的应力和应变。KEYOPT(9)在单元节点和截面节点外推数值用的输出控制(当节点亚类为ASEC 的时候不可用)0 -默认;无1 -最大和最小应力、应变2 -和keyopt(9)=1 相同，加上沿着截面外边缘的应力应变3 -和keyopt(9)=1 相同，加上所有截面节点的应力和应变。KEYOPT(10)用户定义初始应力0 -无用户子程序来提供初始应力(默认)1 -从用于子程序ustress 来读取初始应力。Note

20、参考Guide to ANSYS User Programmable Features帮助用户书写子程序。KEYOPT(11)设置截面属性0 -自动计算是否能够提前积分截面属性。(默认)1 -用户单元数值积分(在生/死功能的时候要求)KEYOPT(12)契型截面处理0 -线性变化的契型截面分析;截面属性在每个积分点计算(默认)， 这种方法更加精确，但是计算量大。1 -平均截面分析;对于契型截面单元，截面属性仅仅在中点计算。这是划分网格的阶数的估计，但是，速度快。Beam188 的输出数据这种单元用两种方式计算输出& #8226; 节点唯一和反应包括全部节点的计算。& #8226; 附加的单元输

21、出在Table 188.1: BEAM188 Element Output Definitions 描述。在需要的地点，ansys 要求keyopt(8)=2 和keyopt(9)=2，参考ANSYS Basic Analysis Guide来找到查看结果的方法。要看beam188 的3-D 变形形状，运用OUTRES,MISC 或者OUTRES 命令，所有的静态和瞬态分析的命令。要观察模态分析和特征值屈曲分析的3-D 模态形状，必须用激活单元结果扩展模态(MXPAND 命令Elcalc=YES 的选项)对于梁设计很常规的是使用轴力成分，轴力由轴向荷载和在各个端点的弯曲独立提供。因此，beam

22、188 提供线性的应力输出作为它的SMISC 输出命令的一部分，由下面的定义来指示：SDIR 是轴力引起的应力分量。SDIR=FX/A，这里FX 是轴力(SMISC 的数值为1 和14)，A 表示截面面积。SBYT 和SBYB 是弯曲应力分量。SBYT = -MZ * ymax / IzzSBYB = -MZ * ymin / IzzSBZT = MY * zmax / IyySBZB = MY * zmin / Iyy这里MY、MZ 是弯距(SMISC 数值是2、15、3、16)。坐标ymax, ymin, zmax, 和 zmin 是y 和z 坐标的最大和最小值。数值Iyy 和Izz 是截

23、面惯性距。对于ASEC 梁截面，ANSYS 用最大和最小截面尺度，对于ASEC 种类的截面，最大最小的Y 和Z 方向直接分别假定在+0.5 到-0.5。单元应力的相应定义：EPELDIR = EX EPELBYT = -KZ * ymaxEPELBYB = -KZ * yminEPELBZT = KY * zmaxEPELBZB = KY * zmin这里EX、KY 和KZ 是总应力和曲率(SMISC 数值是7,8,9, 20,21 和22)输出的应力仅仅对于单元的弹性行为严格有效。Beam188 总是组合应力来支持非线性材料的行为。当单元和非线性材料相关的时候，组合应力最好作为线性近似来对待

24、，应该谨慎的说明。单元运用以下符号输出定义表格：在name 列的冒号表示该项目可以通过构成名字的方法来获得ETABLE, ESOL。第0 列表示该项有效的说明在文件Jobname.OUT 中。R 列表示该项的结果显示在results 文件中。无论在0 还是R 列中，Y 表示该项一直是可用的。数值表示描述哪里该项是选择性提供的脚注，-表示该项不提供。Beam188/beam189 基于三应力成分的表述。.单轴.双向剪切成分剪切应力由扭转和横向荷载引起。Beam188/beam189 基于一阶剪切变形理论，和广泛知道的铁木辛哥梁理论。横向剪切应变对于截面是常数，因此基于横向剪应力剪切能量。建立通过

25、提前确定的梁横截面剪应力分布系数重新分布，可以用于输出的目的。默认的，ansys 将仅仅输出扭转荷载导致的剪应力，keyopt(4) 用来激活由屈曲和横向荷载引起的剪切应力的输出。横向剪应力的分布的精度和截面模型的单元划分精度直接成比例关系(为了定义翘曲、剪切重心和其他截面几何属性)。截面边缘的牵引自由状态仅仅在截面定义合适的模型适用。默认的，ansys 运用划分网格的密度(对于截面模型)， 这个密度提供扭转硬化、翘曲硬化和惯性属性、剪切中心定义的精确结果。默认的网格划分运用对于非线性材料的计算也是合适的。然而，如果由横向力引起的剪应力分布如果要十分精确的捕捉的话需要更多的截面模型的定义。注意

26、：增加截面网格划分的尺寸，并不是导致更大的计算量，如果相关的材料是线性的话。Sectype 和secdata 命令描述允许定义截面网格划分的密度。横向剪应力分布计算忽略了泊松比的效应。泊松比对剪切修正因子和剪切应力分布有轻微的影响。Beam188 假定和约束梁不能0 长度默认的(keyopt(1)=0)翘曲约束效应假定为忽略的。截面失效和折叠不计算。转动自由度在集中质量矩阵时不计算，如果存在偏移的话。对于土木工程建立框架模型和典型多层结构模型而言每个构件运用单一单元时一种普通的实践。因为横向位移的三次插值，beam4 和beam44 对于这样一种方法更合适。然而，如果beam188 需要有那样

27、的需要，确定对于每个构件运用几种单元。Beam188 包括横向剪力的效应。单元采用完整的牛顿-拉夫森方法计算最好(那是默认的计算控制选项)。对于非线性问题，那由大转动决定，要求不可以使用pred，on。注意仅仅可以分析适当厚度的梁。参考BEAM188 Input Data来获取更多信息。当一种截面有多种材料复合的时候，/eshape 用来提出应力等值线(和其他数值)， 单元平均通过材料边缘的应力。为了限制这样的行为，在材料周围运用小截面元。没有输入选项来通过这样的行为。当用SSTIF,ON 定义应力强化时，在几何非线性分析(NLGEOM，ON) 适用。在几何线性分析中是忽略的(NLGEOM,OFF)。预应力可以通过pstres 命令激活。