第一篇梁單元的軸力圖
（理論計算、ABAQUS仿真、ANSYS仿真方法）

篇幅內容僅針對自我學習總結展示，并希望給軟件初學者帶來一定啟發。
結構有限元仿真中有兩種一維單元：桁架與梁
桁架單元：僅承受軸力作用；如二力桿。由于只在軸向承受拉/壓載荷，所以只需要定義截面面積；應力和變形均與截面形狀無關。ABAQUS 6.14-4中對應單元為truss T2D2；ANSYS 18.0中對應單元為link180。
梁單元：可承受軸向拉/壓載荷，具有承受扭轉和彎曲的能力。由于可承受扭轉、彎曲等組合變形，梁單元需要定義截面形狀。ABAQUS與ANSYS對應均為beam單元。

孫訓芳先生的《材料力學》例題2-1：一等直桿及其受力情況如下圖，試作桿的軸力圖。

由于桁架單元僅能承受拉/壓載荷；而梁單元可承受拉、壓、彎曲、扭轉的組合變形，梁單元可承受的載荷類型更為復雜，故此篇通篇采用梁單元作為分析。
理論計算：
利用截面法將各段截開，
再利用假設法，桿件受拉為正，受壓為負，可以快速得到各段的軸力：
DE段：20kN
CD段：-5kN
BC段：50kN
AB段：10kN
那么，軸力圖：
 

ABAQUS：
1.Part中選擇2D planar – deformable – wire，繪制如圖尺寸的線段
     2.Property 建立材料屬性，因為本篇中只關注彈性問題，材料只需輸入楊氏模量和泊松比，本文采用結構鋼材料（本篇僅討論軸力問題，不涉及應力，變形等問題，與所選材料無關）；建立屬性，梁單元需要建立截面屬性，此處假設截面為半徑為1的圓形截面，（truss單元在ABAQUS中為圓形截面，僅需要設置截面面積）；梁截面需要設置截面方向，點擊assign beam orientation 設置截面放置方向。
      
3.Assembly 對桿單元進行裝配
 
4.Step 設置分析步，和材料部分一樣，本篇關注彈性階段，選擇通用靜力學，不需要打開非線性設置；設置軸力輸出，點擊field output manager，在F-output-1中選擇SF
    5.Load 添加載荷，最左端固定，BCDE四點按照題目要求設置集中力，從左往右，分別為
-40000N，55000N，-25000N，20000N
 
6.Mesh 網格劃分及單元類型選擇，如下圖，布置種子-網格劃分-單元類型選擇；①單元大小以10分布，②劃分網格，③設置單元類型，類型選擇beam
     
7.job提交計算
 

8.visualization后處理查看結果，點擊job manager界面的results即可進入結果查看，查看軸力圖
?    將場變量輸出設置為SF-SF1
  ?    點擊probe value對結果查看，在probe value對話框中，依次選擇，查看范圍為單元的積分點值，通過選擇所有的顯示組進行查看，最后輸出文件，保存格式為.rpt
   

?    利用UE打開.rpt文件，設置選擇范圍；開始為第252行，第52列，結束為第381行，第59列，并復制粘貼到Excel B1，在Excel A1輸入10，并以10縱向遞增（因為單元長度設置為10，以10遞增是以代表單元），保存表格。
     
④將Excel數據復制，在ABAQUS中，create XY data-keyboard-粘貼數據-plot 既得到梁的軸力圖
 
 

ANSYS：
 
ANSYS workbench與ABAQUS/CAE 一樣無法直接輸出梁單元的軸力圖，需要在APDL中輸入才能完成桿單元的生成，現在我們直接在ANSYS經典中完成對桿的軸力圖的分析繪制

1.打開mechanical APDL 后，進入偏好設置preferences- 選擇structural
 
2.添加單元類型，add/edit/delete – add – beam – 2 node 188 – OK，添加了單元編號為1的beam188
 
3.添加材料，material modals – material modal number1 – structural/linear/elastic/isotropic – 輸入彈性模量和泊松比，點擊OK確定，添加了編號為1的線彈性材料模型
  4.添加截面屬性，section/beam/common section – sub type中選擇圓形截面 – R 中將半徑設置為1 - OK，添加了半徑為1的圓形截面
 
5.添加關鍵點，關鍵點可以按照施加力的位置添加如下（空白未輸入數值的地方默認為0）；modeling – create – keypoints – in active CS – 1（0,0,0）；2（600,0,0）；3（900,0,0）；4（1400,0,0），5（1800,0,0）；建立了5個力值變化的點（1為完全固定約束點）
   

6.建立線，modeling – create – line – straight line – 依次點擊連接關鍵點1，2，3，4，5 – OK，建立了如下圖所示的線段
 
 
7.設置單元屬性，meshing – element attributes – default attribs-查看設置單元類型為編號1的beam188單元，材料標號為1的線彈性模型，截面編號為1的圓形截面– OK 確定設置
 
8.手動設置網格大小，meshing – size cntrls – manualsize – line – all line – 為了與ABAQUS保持一致，此處單元大小同樣設置為10，在size中輸入10 –OK，設置了以10為單元長度
 
9.對梁劃分單元，meshing – mesh – line – 選擇所有的線–OK，完成對所有的梁線段的網格劃分
 
10.加載設置，1點設置固定約束，2/3/4/5分別按照各自的力值加載（此處僅以2為例設置，其余自行完成）
  ?    固定約束，loads – define loads – apply – structural – displacement – on keypoints – 選擇1點- OK – all dof 所有自由度– displacement設置為0或留空（留空默認為0）-OK
  ?    loads – define loads – apply – structural – force/moment – on keypoints – 選擇2點- OK – 方向為FX – 數值為-40000N-OK，完成了2點的力值加載，3/4/5同2步驟一致
   
11.完成加載就可以求解了，solution – solve – current LS
 
12.讀取軸力圖
?    定義element table，general postproc – element table – define table – add – by sequence num – smisc – smisc，1 –OK，此處smisc后面的編號可以查看幫助文件得知
  ?    輸出軸力圖，general postproc – plot results – contour plot – line elem res – 選擇或已選中smisc1 – OK，完成軸力圖的輸出
   



總結：
?    桿單元與梁單元的區別：桿單元只能承受軸力作用，梁單元可以承受拉/壓，扭轉，剪切及組合變形；在軟件中，桿單元只需要輸入截面面積，與截面形狀無關，而梁單元則需要定義截面形狀；
?    ABAQUS與ANSYS軸力圖輸出；ABAQUS中不能直接輸出軸力圖，需要將數據讀取后，通過創捷XY曲線進行輸出；ANSYS workbench同ABAQUS，無法直接輸出；APDL可以通過創建單元表的形式進行軸力圖的輸出，APDL更直觀。