01 前言

對于框架模型前處理的主要流程是：獲取骨架→網格劃分→屬性賦予，前文分別就骨架獲取以及網格劃分進行了較為詳細的闡述，本文主要就屬性賦予部分進行說明。

需要注意的是：①1D單元種類較多，本文僅以其中最為常見的cbeam單元進行描述 ②正常模型屬性有材料屬性以及單元屬性，本文主要對單元屬性進行闡述 ③文章內容基于HyperMesh平臺，OptiStruct求解器

如圖所示，正常梁單元由主骨架+虛擬截面構成，而梁單元的屬性主要包含截面形狀，截面方向，截面偏置以及自由度釋放。

簡單來說，截面形狀描述了梁單元截面的形狀及尺寸，截面方向指定了從截面坐標系→單元坐標系的轉換，截面偏置表達了截面偏離剪切中心的距離，自由度釋放定義了梁單元端部節點不進行傳遞的內力。上述各個部分在HyperMesh中的1D→bars→update中可以便捷的賦予：

02 截面形狀

• 庫截面

結構求解器一般都帶有自己截面庫，也就是我們常說的標準截面類型，如圖為OptiStruct截面庫支持的標準截面，這類標準截面的創建需要使用Hyper Mesh中的截面創建工具HyperBeam：

創建好截面之后，退出HyperBeam可以在模型樹中找到剛剛創建的截面屬性，并且能直接對尺寸進行編輯：

• 自定義截面

當然很多時候，除了標準截面之外還經常遇到各種異形截面。正常來說個人建議通過截面數據轉換到具有等效性質的標準截面，這樣后處理以及求解器之間的傳遞會更加容易，但是畢竟等效會因人而異并且帶來一定誤差，因此有時候還是需要創建自定義截面。

自定義截面的創建同樣在HyperBeam工具中進行，可以直接如上圖使用1D或者2D截面網格創建，也可以直接在HyperBeam繪制截面點生成，如圖所示為通過2D截面網格創建的鋁型材截面：

這樣，將建立的截面屬性賦予給梁骨架，即可得到如果所示的具有自定義截面的梁單元：

注意：使用OptiStruct庫截面時，截面屬性類型為Pbeaml，l代表library也就是庫的意思，而自定義截面由于不屬于庫截面，因此截面屬性類型為Pbeam，兩者混用很可能報錯或者應力輸出不合理。

03 截面方向

當截面形狀定義完成之后，需要確認截面在三維空間的朝向與實際方向一致。通過材料力學可以知道，梁的剛度與截面受載方向的慣性矩息息相關，同一加載方向下，不同的截面朝向對應梁的剛度可能會有巨大的偏差，因此正確定義梁的朝向非常重要。

大部分結構分析求解器中，梁單元的朝向都是通過單元坐標系定義，在OptiStruct中截面坐標系和單元坐標系方向一致，如圖所示C型截面及在有限元模型中的顯示：

那么怎么正確定義梁單元坐標系呢？下面通過一個簡單圖示和大家說明下梁單元坐標系的定義過程：

大致可以分為四個過程：

①創建梁骨架，梁單元端點的連線就是單元坐標系的X方向

②定義方向矢量

③X方向叉乘方向矢量得到Z方向

④Z方向叉乘X方向得到Y方向

除了方向矢量可以人為改變外，其余所有的步驟都是根據單元建立以及計算方法確定下來的，因此，梁單元坐標系的創建最為關鍵的就是方向矢量的定義。

正常來說，方向矢量可以通過全局坐標系，矢量，面法向以及方向節點定義，不同定義方法需要根據模型的特點進行合適的選擇：

仔細觀察左側模型，所有Z軸均朝上，因此直接定義Z方向一致比較方便；觀察右側模型，除了梁周向平行外，其余方向都是圓周分布特征，而Z方向均指向圓心，因此直接根據方向節點定義更為方便；對于更加復雜的截面朝向，需要直接通過矢量進行定義。

04 節點偏移

由于有限元建模各方面的考慮，梁骨架和截面剪切中心并不重合時，需要進行截面偏置才能合理的描述梁的力學行為。

如圖，截面偏置前，由于梁骨架均在同一平面中，因此兩個方向的梁單元虛擬截面是相互交疊的，與實際情況并不符合，這個時候需要根據實際情況將對應的截面偏置到實際位置，這一操作在1D→ bar2→ offset中實現：

其中offset a表示梁單元A端節點的偏置量，offset b表示梁單元B端節點的偏置量，該偏置量為絕對偏置量，可以定義在節點坐標系/單元坐標系方向進行。

05 自由度釋放

裝配體中經常涉及到各種連接關系，對應到有限元就是各種力的傳遞方式，其中比較常見的就是剛接和鉸接。如圖所示，對于剛接接頭，連接點不發生相對變形和轉動，而對于鉸接接頭，連接點可以發生相對轉動。

正常建立這種力的傳遞關系可以使用自由度釋放，耦合單元，運動副等方式，對于梁單元來說，通過自由度釋放方式建立鉸接關系通過1D→ bar2→ pins實現：

其中pin a代表A端節點的自由度釋放，pin b代表B端節點的自由度釋放，123456分別代表釋放的自由度，如上圖設置pin b=6表示釋放B端節點的繞Z軸轉動自由度。

梁單元的這種性質，使其在模擬銷軸等結構上也比較方便。

06 常見問題

• 截面干涉

初次使用梁單元的伙伴通常會有這個疑惑：打開虛擬截面之后發現模型之間有干涉，這個對分析精度影響大么？會引起接觸問題么？

對于這兩個疑惑，首先個人觀點是：確實會一定影響精度，但是由于梁的截面相對于長度方向占比不大，由于干涉導致的材料以及剛度過余影響較小。

其次，由于梁的截面只是一種虛擬的屬性，正常計算的時候會折算成剛度帶入梁單元矩陣中，最后通過內力再外推截面應力，因此這種交接位置的干涉并不會產生接觸穿透問題。

• 截面不顯示

有些時候明明打開了梁截面開關，卻發現并不顯示虛擬截面，只是顯示一堆坐標系，造成這種原因主要有幾種：

①HyperMesh中只有通過HypeBeam創建的庫截面才能顯示，通過直接選取type設置的截面不具有顯示效果，但是可以正常計算

②檢查模型樹是否正常賦予了截面屬性

③大部分情況下造成這種原因是截面默認方向與梁走向一致導致的錯誤，一般正常更新一遍截面方向即可

• 偏置錯位

對于需要偏置的梁單元，有時候會發現沒有偏置前虛擬截面顯示正常，一旦增加偏置屬性截面就開始錯亂，有的往里偏置，有的往外偏置，這是由于梁的X方向剛好相反導致的坐標系相反，可以通過tool→ orientation→ align修正：

來源于： 仿真求知之路   作者：聰聰