简支梁有限元结构静力分析

1第一章简支梁有限元结构静力分析0前言本文利用ANSYS软件中BEAM系列单元建立简支梁有限元模型，对其进行静力分析与模态分析，来比较建模时不同单元类型的选择和网格划分精细程度不同所带来的不同结果，以便了解和认识ANSYS对于分析结果准确性的影响。1.1梁单元介绍梁是工程结构中最为常用的结构形式之一。ANSYS程序中提供了多种二维和三维的梁单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转单元，用以模拟各类结构中的平面以及空间的梁构件。常用的梁单元中BEAM3、BEAM23和BEAM54为二维梁单元，BEAM4、BEAM24、BEAM344、BEAM188和BEAM189为三维梁单元。下文将简单介绍常用的梁单元BEAM3、BEAM4、BEAM44、BEAM188以及BEAM189。1.1.1BEAM3单元：图1.1Beam3单元几何图形BEAM3是具有拉伸、压缩和弯曲的单轴2-D弹性梁单元。上图给出了单元的几何图形、节点位置及坐标系统。单元由两个节点、横截面面积、横截面惯性矩、截面高度及材料属性定义。初始应变通过Δ/L给定，Δ为单元长度L（由I，J节点坐标算得）与0应变单2元长度之差。该单元在每个节点处有三个自由度，可以进行忽略环箍效应的轴对称分析，例如模拟螺栓和槽钢等。在轴对称分析中，单元的面积和惯性矩必须给出360°范围内的值。剪切变形量SHERAR是可选的，如给SHERAR赋值为0则表示忽略剪切变形，当然剪切模量（GXY）只有在考虑剪切变形时才起作用。同时可以运用实常数中的ADDMAS命令为单位长度梁单元施加附加质量。1.1.2BEAM4单元：图1.2Beam4单元几何图形BEAM4是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲的单轴3-D弹性梁单元。关于本单元的几何模型，节点座标及座标系统详见上图。该单元在每个节点处有六个自由度。单元属性包括应力刚化与大变形。单元方向由两或三个节点确定，实常数有横截面面积，两个方向的惯性矩（IZZ和IYY），梁的高和宽，与单元轴X轴的方向角和扭转惯性矩（IXX），如果没有给出IXX的值或赋予0时，程序自动假设IXX=IYY+IZZ，IXX必须为正同时一般情况下小于弯曲惯性矩，因此最好能够给出IXX的值。BEAM4单元也可以定义附加质量。BEAM4单元的X轴方向为I节点到J节点，对于两节点情况，当θ=0°时，Y轴平行于总体的X-Y平面。用户可以使用方向角θ或者第三个节点控制单元的Y轴方向。如果两者都定义了，则以第三个节点定义的方向为主。定义梁单元的方向除了能够控制单元截面形式外还能控制单元各个面的位置，从而能够正确施加梁荷载。1.1.3BEAM44单元：3图1.3Beam44单元几何图形BEAM44是3-D弹性渐变非对称单轴梁单元，具有拉伸，压缩，旋转和弯曲的能力。从上图可以看出，该单元在每个节点有六个自由度，允许在每个节点处有不同的非对称几何特性，并且允许节点有相对于梁中心的偏移。如果不考虑该项特征的话，可以用BEAM4单元进行替换。如果需要考虑材料非线性，应运用BEAM188或者BEAM189单元。BEAM44同BEAM3以及BEAM4一样，可以在单元设置中考虑剪切变形，具有应力刚化与大变形特性。该单元可以使用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD命令定义任意形状的截面。单元实常数包括截面面积，面积矩，截面边界到中心的距离，截面中心的偏移量，截面剪切常数。其中截面惯性矩是关于梁横向主轴Y、Z轴的，在节点I的扭矩如果没有特殊指定的话，程序自动默认为惯性矩的和（IZZ+IYY），节点J的惯性矩和扭矩没有指定的话默认为和J节点的扭矩相同。单元扭转刚度随着扭矩的减小而降低。单元用偏移距离(DX,DY,DZ)定义截面中心与单元定位节点之间的位置关系。当截面中心相对于节点的偏移方向在单元坐标系的正向上时值为正。所有梁单元第二个节点的实常数（除了DX,DY,DZ）默认与第一个节点相同。在土木工程应用中，建立框架模型时，梁柱构件均运用相同单元，由于侧向位移三次插值，采用BEAM4和BEAM44更合适。1.1.4BEAM188/189单元：4图1.4aBeam188单元几何图形图1.4bBeam189单元几何图形BEAM188/189单元的几何形状、节点位置、坐标体系如上图所示，BEAM188单元的方向由整体坐标系的节点I和J定义。BEAM188为计入剪切效应和大变形效应的3-D线性有限应变梁，适合于分析从细长到中等短粗梁结构。该单元基于Timoshenko梁理论，Timoshenko梁(剪切梁)不但要考虑弯曲变形,而且要考虑剪切变形对梁受力的影响。一般指适合于分析短粗梁，要考虑横截面弯曲的梁。Timoshenko梁认为，在变形前，梁的横截面与梁的几何中心线是垂直的，而变形后，由于考虑了横向剪切，其横截面不再与几何中心面相垂直，而这个不垂直量即为横向剪切量，整个量的计算可以通过严格的推导得出。对于不同梁有不同的剪切修正系数，计算结果接近实体模型。该单元可以使用SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE和SECREAD命令定义任意形状的截面。同时梁截面可以是线性渐变的截面，也可以是不同材料组成的截面。BEAM188结果输出默认采用两节点形式，可以通过KEYOPT(3)设置中间节点提高单元精度。BEAM189为二次有限应变梁，具有与BEAM188同样的特性，不同之处在于其为三到四节点定义的梁单元，拥有中间节点，单元计算精度高。1.1.5梁单元特性表：单元名称简称节点数节点自由度特性备注BEAM32D弹性梁2Ux,Uy,RotzEDGB常用平面梁单元BRAM43D弹性梁2Ux,Uy,UzRotx,Roty,Rotz拉压弯扭，常用3D梁单元BEAM442D渐变不对称梁2+1拉压弯扭，不对称截面可偏移中心轴，可释放节点自由度，可采用梁截面BEAM1883D线性有限应变梁2+1EPCDFGBTimoshenko梁，计入剪切变形5影响，可增加翘曲自由度，BEAM1893D二次有限应变梁3+1可采用梁截面注：表中EPCDFGB代表：E-弹性，P-塑性，C-蠕变，D-大变形，F-大应变，G-应力刚化，B-单元生死1.2问题描述如下图1所示的钢筋混凝土梁，其横截面尺寸为b×h=300mm×600mm，梁的跨度为L=6.0m，下部刚性支座宽度为100mm，采用C55混凝土，根据混凝土设计规范，C55混凝土的弹性模量为3.55×104MPa，混凝土轴心抗压强度设计值为11.9MPa，轴心抗拉强度设计值为1.27MPa。该钢筋混凝土梁简支梁考虑自重受竖向等效均布力34.5kN/m，边界条件按照简支梁施加相应约束。1.2.1利用力学方法求解：运用力学方法将上述结构求解，易得支座反力为103.5kN，该简支梁的计算简图图、弯矩图以及剪力图如下图所示：图1.5钢筋混凝土梁（图中长度单位：mm）图1.6简支梁计算简图图6图1.7简支梁弯矩图1.3利用ANSYS软件建立模型与求解1.3.1采用BEAM系列单元进行建模荷载施加运用两种情况：将重力折算为均布荷载施加在梁上表面或者运用施加重力加速的方法计算重力。经过计算得知两种方法结果相同。该简支梁的有限元模型以及内力计算结果如图所示：图1.8简支梁剪力图7图1.9BEAM系列简支梁有限元模型图1.10aBEAM3/BEAM4简支梁弯矩图图1.10bEAM188/189简支梁弯矩图图1.11aBEAM3/BEAM4简支梁剪力图图1.11bBEAM188/189简支梁剪力图图1.12aBEAM3/BEAM4简支梁竖向位移图图1.12bBEAM188/189简支梁竖向位移图1.3.2BEAM单元简支梁建模与求解命令流8BEAM系列梁单元建模与求解命令流如下（不同单元间建模已用下划线分开，单位：牛米）：/prep7!单元类型为beam3!!!建立结构几何模型k,1et,1,beam3k,2,6!单元类型为beam4k,1000,0,1000et,1,beam4l,1,2!单元类型为beam188et,1,beam188!赋予运用beam3/4单元计算的线材料、单keyopt,1,3,2!设置beam188单元选项元、实常数以及单元定位点。et,1,beam189!赋予运用beam188/189单元计算的线材料、keyopt,1,4,2!设置beam189单元选项单元、实常数属性、单元定位点和截面编号。注意beam188和beam189没有实常数r,1,0.18,1.35e-3,5.4e-3,0.6,0.3!施加beam3约束sectype,1,beam,rectsecdata,0.3,0.6d,2,uy!施加beam4、beam188/189约束d,1,uyd,1,uzd,1,uxd,2,uyd,2,uzacel,,10!施加重力加速度antype,0time,1nsub,10,20,5outres,all,allsolvesave/post1!beam3后处理etable,miz,SMISC,6!i节点弯矩单元表etable,mjz,SMISC,12!j节点弯矩单元表plls,miz,mjz!用等值线显示显示单元表结果etable,Fzi,SMISC,2!i节点剪力单元表etable,Fzj,SMISC,8!j节点剪力单元表plls,Fzi,Fzj,-1!用等值线显示显示单元表结果etable,SMAXi,NMISC,1!最大正应力etable,SMAXj,NMISC,3plls,SMAXi,SMAXj,-1!用等值线显示显示单元表结果!beam4后处理etable,miz,SMISC,5!i节点弯矩单元表etable,mjz,SMISC,11!j节点弯矩单元表plls,miz,mjz!等值线显示显示单元表结果etable,Fzi,SMISC,3!i节点剪力单元表etable,Fzj,SMISC,9!j节点剪力单元表plls,Fzi,Fzj,-1!等值线显示显示单元表结果etable,SMAXi,NMISC,1!最大正应力etable,SMAXj,NMISC,3plls,SMAXi,SMAXj,-1!显示显示单元表结果!beam188、beam189后处理etable,miz,SMISC,2!i节点弯矩单元表keyopt,1,4,2!单元类型为beam189latt,1,1,1,,1000mp,ex,1,3.55e10mp,prxy,1,0.2mp,dens,1,2500!设置beam3截面!混凝土材料属性latt,1,1,1,,1000,,1allsellesize,all,0.5/eshape,1!定义单元尺寸!显示单元形状r,1,0.18,5.4e-3,0.6!设置beam4截面/solusfbeam,all,1,pres,30e3!施加梁表面荷载!beam188/189梁截面d,1,uyd,1,ux9etable,mjz,SMISC,15!j节点弯矩单元表plls,miz,mjz!显示显示单元表结果etable,Fzi,SMISC,5!i节点剪力单元表etable,Fzj,SMISC,18!j节点剪力单元表plls,Fzi,Fzj,-1!显示显示单元表结果etable,SBZTi,SMISC,35!i节点跨中弯曲正应力etable,SBZTj,SMISC,40!j节点跨中弯曲正应力plls,SBZTi,SBZTj,-1!用等值线显示显示单元表结果pldisp,1,0!显示变形图1.3.3利用SAP2000建立模型与求解下图为利用SAP2000软件建立简支梁模型，对其进行静力计算所得跨中弯矩，为155.25kN.m，梁端剪力103.5kN，与ANSYS软件的计算结果基本吻合。图1.13简支梁弯矩图图1.14简支梁弯矩图图1.15简支梁位移图101.4计算结果对比1.4.1简支梁内力分析结果比较由上述分析可以看出，运用以上几种不同类型的梁单元以及不同网格密度对该简支梁进行有限元建模，计算所得结果与力学方法的计算结果对比