如果一個構(gòu)件橫截面的尺寸遠(yuǎn)小于其軸向尺度(一般的判據(jù)為小于1/10), 并且沿長度方向的應(yīng)力是最重要的因素，就可以用梁單元進(jìn)行模擬。
在巖土工程中，梁單元可用來模擬樁或其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
在ABAQUS中梁單元的名字以字母“B"開頭。下一個字符表示單元的維數(shù)：“2”指的是二維梁單元，“3”指的是三維梁單元第三個字符表示插值的階數(shù)：“1”表示線性插值，“2”表示二次插值，“3”則表示三次插值。B21和B31單元(線性梁單元)以及B22和B32單元(二次梁單元)是考慮剪切變形的Timoshenko梁單元，它們既適應(yīng)于模擬剪切變形起重要作用的深梁，又適用于模擬剪切變形不太重要的細(xì)長梁。
提示：在ABAQUS中，梁單元是梁柱類單元，即可以產(chǎn)生軸向變形、彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。Timoshenko 梁單元還考慮了橫向剪切變形的影響。
1.單元庫
梁單元庫中有二維和三維的線性、二次及三次梁單元。ABAQUS/Explicit 中沒有三次梁單元。
2.自由度
二維梁單元的每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度：2個平動自由度(1和2)和一個繞模型所在平面法線的轉(zhuǎn)動自由度(6)。
三維梁單元每個節(jié)點(diǎn)有 6個自由度：3個平動自由度(1-3)和3個轉(zhuǎn)動自由度(4-6)。“開口截面"型的梁還有一個表示梁橫截面翹曲量的附加自由度(7)。
3.單元性質(zhì)
由于梁單元中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)只定義了梁的長度，用戶必須給出梁截面特性，即材料、梁截面輪廓線的幾何尺寸和形狀。ABAQUS/CAE中提供了一系列內(nèi)置的梁截面，方便用戶定義。
如在Property對話框中執(zhí)行[rfile]/ [Create]命令，彈出Create Profile對話框，在此對話框中用戶可以選擇梁的幾何形狀，如選擇“I"，表示定義工字型梁截面，單擊[Continue]按鈕之后，在彈出的Edit Profile對話框中可以定義具體尺寸。當(dāng)然，需要指出，定義完P(guān)rofile后，還需定義Section特性。
ABAQUS在計算中有兩種方式考慮梁截面特性:
1、若用戶定義了梁截面的幾何輪廓線，ABAQUS就會用數(shù)值積分方法計算橫截面性質(zhì)，材料可以是線性或非線性的。
2、若用戶提供截面的面積，慣性矩和扭矩等工程性參數(shù)來代替指定橫截面尺寸，則ABAQUS就不必對橫截面積分，這個方法計算量較少。在用這個方法時，材料可以是線性或非線性的。此時，根據(jù)力和彎矩結(jié)果來計算響應(yīng)，只有在特別請求時才計算應(yīng)力。
4.單元的數(shù)學(xué)公式和積分
線性梁單元(B21和B31)和二次梁單元(B22和B32)允許剪切變形，并考慮了有限軸向應(yīng)變；它們不僅適合于模擬細(xì)長梁，也適合于模擬短梁。
ABAQUS提供線性和二次梁單元的變種單元(B31OS和B32OS)來模擬薄壁開口梁。這些單元能正確地模擬開口橫截面的扭轉(zhuǎn)和翹曲效應(yīng)，例如I型和U型槽鋼。
ABAQUS也提供雜交梁單元來模擬非常細(xì)長的構(gòu)件，如海上石油平臺上的柔性立管和模擬非常剛硬的連接件。
5. 單元輸出變量
三維剪切變形梁單元的應(yīng)力分量為軸向應(yīng)力(σ11)和扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力(σ12)。在薄壁截面梁中剪應(yīng)力沿截面的壁作用，相應(yīng)的應(yīng)變量也可以輸出。剪切變形梁單元也提供截面上的橫向剪力。細(xì)長梁的輸出結(jié)果只有軸向變量，因此此時的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力可略去。所有二維梁單元只用到軸向的應(yīng)力和應(yīng)變。
6.選擇梁單元的類型需遵循的原則
選擇梁單元時應(yīng)參考以下原則:
1、在任何包含接觸的問題中，應(yīng)使用B21或B3I (線性剪切變形梁單元)。
2、如果橫向剪切變形很重要，則應(yīng)采用B22和B32單元(二次Timoshenko梁單元)。
3、在ABAQUS/Standard的幾何非線性模擬中，如果結(jié)構(gòu)非常剛硬或非常柔軟，應(yīng)使用雜交單元，如B21H和B32H單元。
4、如果在ABAQUS/Standard中模擬具有開口薄壁橫截面的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使用基于橫截面翹曲理論的梁單元，如B31OS和B32OS單元。
文章來源：材料科研SCI
