CBEAM的案例
【NX Nastran單元庫】3.3 CBEAM Element
1、CBEAM的特點
在 NX Nastran 中，使用 CBEAM 定義梁單元，使用 PBEAM、PBCOMP 或 PBEAML
定義其屬性。梁單元支持拉伸、扭轉、在兩個垂直平面中的彎曲和相應的剪切。CBEAM 單元提供 CBAR
單元的所有功能，以及下面的附加功能：
? 可以在梁的兩端和梁長度方向的最多 9 個中間位置定義多種橫截面屬性。
? 中性軸和剪切中心不需要重合，適用于非對稱橫截面。
? 橫截面的扭曲對扭轉剛度的影響包括在內（僅限 PBEAM）。
? 楔形梁截面形狀漸變對橫向剪切剛度（抗剪）的影響包括在內（僅限 PBEAM）。
? 使用 PLOAD1，可以對CBEAM單元施加集中載荷或者單元長度上的分布載荷。
? 可以為非結構質量的中心指定另外的軸線。
? 動態分析中考慮了分布式轉動慣量。
? CBEAM 可以使用 PBCOMP （復合梁），對由多根軸線平行的桿構成的的梁進行建模。
? CBEAM 支持非線性材料屬性：僅限彈塑性材料（ MATS1 輸入項中的 TYPE =PLASTIC）。
? 剪切中心、中性軸和非結構質量的重心可以不在同一點。
? 橫截面屬性 (A, I1, 12, I12, J) 和沿長度方向的非結構質量可任意變化（僅限 PBEAM）。
2、CBEAM格式
CBEAM和CBAR的格式很相似，唯一的不同是多了SA、SB兩個字段。
SA和SB分別是 A 端和 B 端的標量點或節點標識號。這些點的自由度為扭曲梯度 dθ /dx。
3、CBEAM單元坐標系
4、CBEAM單元的截面定位、端點偏移、Pin flag 的定義方法都和CBAR單元一樣。
5、CBEAM 力和力矩約定
圖 3-17 中顯示了單元力的正方向。
展開 基于optistruct的含cbeam單元的非線性靜態分析 ￥25
基于optistruct的含cbeam單元的簡易非線性分析，本案例目的在于學習如何在optistruct中簡易模擬含有beam單元的擠壓，如何定義cbeam單元、建立非線性材料、非線性分析步等。通過本案例的學習可獨立完成含C beam單元非線性工程分析仿真模型。其前處理是在optistruct中完成，h3d結果文件在hyperview中查看。
分析結果動畫-等效塑性應變
分析模型顯示cbeam單元的3d效果
分析模型不顯示cbeam單元的3d效果
相關模型及腳本文件見附件。凡購買本案例的朋友針對收費內容部分有疑問，可以一起交流。
展開 【NX Nastran單元庫】3.4 CBEND Element
全部采用CBEAM單元建模時，得到剛度為3930 lbf/in；
全部采用shell單元建模時，剛度為1560lbf/in；
直線段采用CBEAM單元、彎曲段采用CBEND單元時，剛度為1410lbf/in。
我們可以看出，全部采用CBEAM單元模擬彎管結構時，剛度比實際大很多，而采用CBEND單元對彎曲部分建模時，得到的剛度與實際非常接近。
My Work （With NX）
首先，在NX的建模環境畫出彎管的幾何模型（采用英寸單位制）。
然后進入高級仿真環境進行有限元分析。
為了確認幾何模型及材料設置與NASA論文一致，先采用shell模型進行分析，上端1in強制位移時的支反力為1558
lbf。即剛度為1558 lbf/in，與論文相符。
壓縮載荷非線性分析的結果（Y方向正應力）：
全部采用CBEAM單元進行分析得到的結果如下，剛度為3902 lbf/in，確實比shell模型大很多。
下面介紹彎管CBEND單元的建模方法，直線段仍然采用CBEAM單元。
手冊中關于FSI（柔度應力增強因子）=2的說明如下，解釋了彎管的柔度和應力計算采用的公式。
以上CBEND模型，1in強制位移得到的支反力結果如下。剛度為1423 lbf/in與測試結果1426lbf/in非常接近。
總結：
對于彎梁結構，采用CBEAM單元會使得剛度偏大，不建議使用。
如果模型不是太大，可以使用shell
2d單元。如果模型太大，需要用1d單元簡化時，采用CBEND單元能夠準確模擬彎梁剛度。
展開 【NX Nastran單元庫】3.1 1D單元介紹（補充梁的平面彎曲理論）
NX
Nastran 中的1D
單元包括： CBAR、CBEAM、CBEND、CONROD、CROD、CTUBE、CVISC。
桿單元支持拉伸、壓縮和繞軸線的扭轉，但不支持彎曲。梁單元包括彎曲，NX
Nastran 還區分了“簡單”梁和“復雜”梁。
?
簡單梁使用CBAR單元建模，要求梁的橫截面屬性一致。CBAR單元還要求剪切中心與中性軸重合。因此，可能發生扭曲（warp）的梁不能用CBAR單元建模，如開口槽形截面梁。
?
復雜梁使用CBEAM單元建模，CBEAM單元包含CBAR的所有特征及一些其他的特征。CBEAM單元允許橫截面沿軸線漸變（楔形），中性軸和剪切中心可以不重合，橫截面可以發生扭曲。
補充：
1、兩個節點之間直線或曲線結構的剛度（stiffness
along a line or curve between two grid
points）。為什么要說“直線或曲線”，
而不是只講直線？對于曲線，把網格畫的足夠細，不就可以用直線代替了嗎？這里是為了體現CBEAM和CBEND這兩種單元的區別。對于曲桿、彎梁或彎管等
中心線彎曲的結構，如果用CBEAM單元模擬，結果會剛度偏大，用CBEND單元更合適。當然，如果模型不是太大的話，也可以用2D或3D單元。
2、中性軸。根據平面假設，梁彎曲時，頂部“纖維”縮短，底部“纖維”伸長，由縮短區到伸長區，其間必存在一長度不變的過渡層，稱為中性層。中性層與橫截面的交線稱為中性軸。
3、平面彎曲。
變形后，梁的軸線成為一條平面曲線。
發生平面彎曲的條件：
(1)梁具有縱對稱面時，只要外力(橫向力或外力偶)都作用在此縱對稱面內，就是平面彎曲。
(2)梁沒有縱對稱面的情況。
展開 
梁單元結構建模optistruct求解查看應力，沒有Von mises、normal stress? ￥20
前段時間接觸到桁架橋的結構分析，桿件橫截面主要為BOX和C型槽，C型槽的剪切中心和中性軸不重合，前處理采用梁單元cbeam建模，單元類型選擇cbar還是cbeam，可以參考：【HyperMesh寶典】之梁單元 (qq.com)。建立梁單元截面類型選擇HYPER BEAM庫下的thinwalled box和standard channel，屬性卡片選擇pbeam，求解后，hyperview查看應力結果發現只有element stress1D(s)下的CBAR/CBEAM Axial stress和long stress，沒有von mises stress、normal stress等應力。
網上搜索了一圈都沒有找到相關的問題的解決方法，也可能是我沒找全面，只能老老實實啃幫助文件，找到了關于Stress Result Written in HyperView，附上鏈接以及截圖：Stress Results Written in HyperView .h3d Format (altair.com)
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列37： 梁單元差異（1）-理論基礎
1.3 Nastran的梁單元
1.3.1 Nastran梁單元的設置
Nastran的梁單元主要有CBAR和CBEAM兩種。
（1）在Patran界面上，在Property模塊下設置梁單元屬性，默認情況下Option為General Section/Standard Formulation：
輸出到Nastran的Bdf中，可發現單元類型為CBAR：
（2）在Patran界面上，在Property模塊下梁單元屬性Option改為General Section（CBEAM）/Standard Formulation：
輸出到Nastran的Bdf中，可發現單元類型為CBEAM：
我以前想當然的認為CBAR和CBEAM分別就是Euler梁和Timoshenko梁，后來深入了解后，發現根本不是這回事。CBAR和CBEAM即是 Timoshenko梁，也是Euler梁。
部分Nastran理論說明介紹，默認情況下CBAR沒有設置K1，K2，得到的是Euler-Bonourli梁，而CBEAM如果設置了K1，K2，是Timoshenko梁，但我們實測發現其實他們都默認設置了剪切效應。
在Patran梁截面設置上，有兩個的參數Shear Stiff.Y和Shear Stiff.Z，這兩個就是通常認為的橫向剪切效應因子K1，K2。對于矩形它的默認值就是5/6。
Abaqus也有K1、K2，但值和Nastran不一樣，譬如矩形Abaqus取的是0.85， 5/6=0.8333是有嚴格的理論支撐的，正常來說這才是正確解，Abaqus為何取0.85不是很理解。
展開 NX NASTRAN 單元庫學習記錄——3.2 CBAR Element
如果差別很大，則應使用 CBEAM
單元來代替，否則結果可能不正確。
螺紋連接:仿真分析簡化
/Cbush
雖然單Rbe2方案誤差在可接受范圍內，但是由于不便于進行局部剛度的調整以及內力的提取，因此可以考慮分別耦合兩部分內孔，并使用梁單元/彈簧單元來作為剛度調整單元，如圖所示
而這種方式計算精度的核心就在于如何較為合理地設置Cbeam/Cbush的剛度屬性
對于Cbeam單元，可以通過改變Beam的截面尺寸或者對應的材料屬性來調整其拉伸/彎曲/剪切剛度，但是不便單獨設置不同方向剛度
而對于Cbush單元，可以直接通過K1~K6參數設置剛度具體值，便于單獨設置不同方向剛度值，但是需要試驗測試或者更加詳細的理論計算
而這個剛度值實際就是各螺栓計算標準中的螺栓等效剛度+被連接件等效剛度(倒數稱為柔度)，這里僅截圖VDI 2230中的部分說明
上述內容主要是螺栓內力系數δs，被連接件內力系數δp，載荷因素n的確定(具體參考 VDI2230)
這樣，比如我們通過上述參數求得螺栓的內力系數為1/80，這樣就可以設置Beam的材料剛度為E*80，以此來近似模擬局部等效剛度，下面是一組測試結果(實在不會計算可以參照單Rbe2設置為剛性較大屬性)
對比會發現:
①如果只是單純的用實體螺栓剛度代替局部剛度，得到的計算結果相對于實體預緊情況會小很多，特別是對于與彎曲及剪切方向相關的工況
②通過得到內力系數，結合材料參數縮放局部剛度，可以較好地模擬局部連接剛度，實現起來也相對容易
③由于使用1D單元做連接，因此相對于單 Rbe2方式更便于提取內力進行后續校核
當然這樣做的弊端就是，難以單獨調節軸向，彎曲及剪切剛度，可以通過將Cbeam單元替換成Cbush單元實現
展開 NASTRAN常用單元介紹
CBEAM單元
CBEAM單元的數據卡格式：
CBEAM
EID
PID
GA
GB
X1
X2
X3
PA
PB
W1A
W2A
W3A
W1B
W2B
W3B
SA
SB
CBEAM單元的替代數據格式：
CBEAM
EID
PID
GA
GB
G0
PA
PB
W1A
W2A
W3A
W1B
W2B
W3B
SA
SB
說明：EID是單元編號；PID是PBEAM、PBCOMP或者PBEAML數據卡的編號；GA和GB是節點編號；X1，X2，X3為在GA坐標系中的方向矢量v的分量；G0是替代格式中用于確定方向矢量，從GA到G0就確定了方向矢量；BIT是p單元的橫截面軸的內在扭轉；PA和PB分別為在端點A和B
展開 認識網格4 | 選擇合適的網格密度(梁_靜剛度)
比如上述的簡支梁，其最大撓度位于梁中部，按照上述結論猜測，只需要兩根cbeam單元即可捕捉到中點撓度，同樣將2份網格和16份網格的變形結果進行對比（最大撓度基本一致）：
很多時候，對于載荷比較復雜的情況，我們并不容易提前預知最大撓度位置，那么就可以使用上面說的“以直代曲”大致估測劃分的份數，比如下面的半弧形，分別使用2~5份網格進行離散：
一般情況下分析結構的靜剛度變形不會太大，上述對半弧形分成4~5份基本足夠，那么對于兩端簡支的復雜工況變形，劃分為10份數應該問題不大。
為了驗證想法，對于如圖所示簡支梁，在幾種載荷的作用下不太容易直接判斷最大撓度位置，但是我們估測變形最多2~3個半弧，按照上述結論，使用10根梁單元得到的結果應該還不錯（左側10份單元，右側100份單元）：
可能有些小伙伴看到這里會有兩個疑惑：
①上面只是對比了梁抵抗彎曲的能力，那么對于其它內力精度如何？
確實，常規內力有拉壓，彎曲，扭轉和剪切，但是其中拉壓是截面一致，扭轉是截面由內向外變化，因此和長度方向上的網格關系不大，而一對剪切力作用在梁的兩端，其性質又和彎曲比較接近，因此梁對于響應綜合外載的能力應該還不錯。
②上面只是對比了一根梁的結果，對于復雜框架是否合適呢？
確實，目前我們還未計算復雜框架，但是一個事實是，再復雜的系統也是由一個個單元組成，如果單個單元的性質得以驗證，而整體連接關系也比較確定，那么整體的響應應該也不會太差。
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列40： 梁單元差異（4）-形心、剪心和偏置
節點在剪心處，此時T型材的截面尺寸和偏置如下：
1.4.2 工況和實測結果
右端全約束，取三種工況：
工況（1）：左端自由加力，加y-方向集中力F=1：
iSolver導出到Abaqus B31單元和Nastran的CBEAM單元繞z軸轉動角度UR3結果都是5.02e6，如下：
上面說了彎曲的材料力學理論只適合Euler梁，但我們Abaqus還是采用了B31，僅僅因為B31更常用，但就算是采用B33，Abaqus內部計算依然采用過節點的轉動軸。
工況（2）：左端自由加力矩，加z+方向力矩M=1：
iSolver導出到Abaqus B31單元和Nastran的CBEAM單元UR3結果都是2.09，如下：
工況（3）：在工況（2）的基礎上左端簡支
Abaqus B31單元和Nastran的CBEAM單元UR3結果分別是5.229和4.24，如下：
1.4.3 結果分析
明顯工況（1）和（2）采用經過節點的彎曲軸的Abaqus和采用經過形心的彎曲軸的Nastran結果基本一致，但工況（3）明顯差異較大。我們沒有嚴格的證明，我們猜測無論采用哪個彎曲軸都是正確的，只是多一個平動位移的變換，都是嚴格滿足梁的外力矩=內力矩，外力=內力的關系的。所以（1）和（2）的結果一致，但如果像工況（3）把平動位移約束，彎曲軸的不同導致的差異可能就非常大了。
進一步，對于工況（3），Abaqus和Nastran那么哪個更正確呢？或者誰更可信呢？
展開 
基于_MSC.NASTRAN_的汽車車架結構的仿真研究
本文作為有限元法的基礎研究，通過學習、消化與吸收，對MSC.NASTRAN進行了剖析，并著重對MSC.NASTRAN桿系單元中的一般梁單元CBAR和復雜梁單元CBEAM進行了分析。針對車架結構有限元分析中關鍵問題的研究，闡述了對車架結構進行有限元靜力分析和動力分析的規范。同時，規范化了使用MSC.PATRAN建立汽車車架結構桿系有限元模型的步驟，這些規范化的步驟可以縮短了車架結構有限元分析的時間，提高了研究工作效率，以達到快速分析汽車車架結構的剛度、強度和振動特性的目的。
基于_MSC.NASTRAN_的汽車車架結構的仿真研究.pdf
Genesis結構分析基礎——有限元分析
Genesis結構分析基礎——有限元分析
有限元分析
可靠的單元庫
多種材料性能
各向同性材料
正交各向異性材料
一般各向異性材料
多種載荷條件
集中力、分布壓力、熱載荷、重力和離心力等靜態力
來自于熱傳遞分析結果的熱載荷
強制位移和變形
強制溫度
熱流量及對流
集中力、分布壓力、重力等動態力
多種邊界條件
單點約束和多點約束
直角坐標、柱坐標和球坐標等多種坐標系
多種單元支持
標量單元: CELAS1/2
矢量單元: CVECTOR
桿單元: CROD
梁單元: CBAR, CBEAM
剪切單元: CSHEAR
板/殼/復合材料單元: CTRIA3,CQUAD4
體單元: CTETRA, CPENTA,CHEXA, CHEXA20
軸對稱單元: CTRIAX6
質量單元: CMASS1/2, CONM2/3
粘性阻尼單元: CDAMP1/2, CVISC
熱邊界單元: CHBDY
剛體元: RROD, RBAR, RBE1/2
內插補單元: RBE3, RSPLINE
用戶自定義單元: GENEL, K2UU, M2UU
彈簧-阻尼單元：CBUSH
展開 nastran教學連載2（1見patan板塊）
■
彈簧元（性質象簡單拉伸或扭轉彈簧）
兩自由度彈簧單元：CELASi（2） （I=1,2,3,4）
多至6自由度頻變彈簧/阻尼器單元：CBUSH（6）
■
線單元（它們的性質象桿、棒或梁）
桿元： CROD（4），CONROD（4）
直梁元：CBAR（12），CBEAM（14）
曲梁元：CBEND（12）
■ 面單元（它們的性質象膜或薄板）
三結點三角形板元：CTRIA 3（15）
六結點三角形板元：CTRIA 6（30）
四結點四邊形板元：CQUAD 4（20）
八結點四邊形板元：CQUAD 8（40）
四結點剪力板元：CSHEAR （8）
■ 體單元（它們的性質象塊料或厚板材）
■ 約束元（無限剛硬，稱為剛性元，在數學模型中不引起數值困難）
剛性桿：RROD
剛性梁：RBAR
剛性三角板：RTRPLT
剛性體：RBE 1，RBE 2
均方加權約束元：RBE 3
內插約束元：RSPLINE
展開 一種新型轎車前艙蓋結構優化分析
前艙蓋鈑金件之間的連接主要采用CWELD單元、RBE2單元、膠單元及節點重合等，鉸鏈銷軸則采用CBEAM單元模擬。前艙蓋總成質量為17.5kg，模型的材料屬性見表1-1，其中前艙蓋總成結構有限元模型如下圖1-1所示。
2 模型分析
2.1前艙蓋的約束模態分析
主要通過約束前艙蓋鎖以及鉸鏈安裝點處的自由度，模擬前艙蓋固定在車身上的鎖止狀態從而計算其約束模態，計算結果見表2-1所示，其位移云圖與應變能云圖見圖2-1、2-2所示。從分析可知第一階約束模態較低不滿足設計要求。
2.2前艙蓋剛度分析
剛度分析主要考察六種工況：（1）扭轉剛度1（約束前艙蓋鎖）；（2）扭轉剛度2（約束緩沖塊）；（3）橫向剛度；（4）內板側梁中點處側梁剛度；（5）前梁剛度；（6）后梁剛度。剛度分析考察點位置如圖2-3所示，考察不同位置點處在不同工況與不同載荷下的抵抗變形能力。由計算結果表2-2可知六種剛度分析中前艙蓋總成橫向剛度不滿足要求。
3 前艙蓋內板結構優化分析
由上面分析可知本前艙蓋總成約束模態與橫向剛度均不滿足設計要求，且前艙蓋總成質量較重，需要對前艙蓋總成進行優化改進。對于前艙蓋總成來說，外板及鉸鏈的形狀一般不可以改變，可以對其他組成件優化，包括其形狀和材料厚度。本文在保證前艙蓋總成外板形狀不變的情況下，對前艙蓋內板及加強件結構進行優化和減重設計。現實中，前艙蓋內板結構多種多樣，這里僅考察內板結構優化設計對前艙蓋總成模態與剛度的提升影響，具體方法如下：
方案一：根據上面分析中的應變能分布以及實際情況，對內板加強筋進行部分修改，如圖3-1所示，模型質量為16.9kg計算結果如表3-1所示，其模態分析應變能云圖見圖3-2所示。
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