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KEYOPT(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：•双层金属带•带金属加固的梁•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BEAM188InputSummary。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NodeandElementLoads被描述。压力可能被作为单元表面力被输入，就像Figure188.1:BEAM188Geometry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。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：•不论是否使用二次选项，beam188单元最初始的几何总是直线。•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。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ANSYSBasicAnalysisGuide的InitialStressLoading。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ANSYSUserProgrammableFeatures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BEAM188InputSummary给出单元的输入总结。BEAM188InputSummary节点I,J,K(K,方向点,可选但被要求)自由度UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZifKEYOPT(1)=0UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,WARPifKEYOPT(1)=1SectionControls截面控制TXZ,TXY,ADDMAS(SeeSECCONTROLS)(TXZandTXYdefaulttoA*GXZandA*GXY,respectively,whereA=cross-sectionalarea)TXZ和TXY默认分别是A×GXZ和A×GXY，这里A是截面面积MaterialProperties材料属性EX,(PRXYorNUXY),ALPX,DENS,GXY,GYZ,GXZ,DAMP表面力压力face1(I-J)(-znormaldirection),face2(I-J)(-ynormaldirection),face3(I-J)(+xtangentialdirection),face4(J)(+xaxialdirection),face5(I)(-xdirection).(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)ateachendnode特殊特征Plasticity塑性Viscoelasticity粘弹性Viscoplasticity粘弹性Creep蠕变Stressstiffening应力刚化Largedeflection大挠曲Largestrain大应变Initialstressimport初始应力引入Birthanddeath(requiresKEYOPT(11)=1)单元的生死(要求keyopt(11)=1)Automaticselectionofelementtechnology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,MISO,NLISO,BKIN,MKIN,KINH,CHABOCHE,HILL,RATE,CREEP,PRONY,SHIFT,CAST,andUSER.Note对于材料模型细节可以参见ANSYS,Inc.TheoryReference对于更多的关许单元技术选择的信息可以参见AutomaticSelectionofElementTechnologies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;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、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，