ansys梁?jiǎn)卧较?/h1> 關(guān)注 創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-03-07
ansys梁?jiǎn)卧较虻囊曨l教程
ABAQUS梁單元方向指定
應(yīng)用三維線單元建模，可以減少計(jì)算量，對(duì)于梁?jiǎn)卧?/em>的需要建立截面，并指定方向，以工字鋼為例講解梁方向的指定。
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ansys梁?jiǎn)卧较虻膶?shí)例教程
這個(gè)時(shí)候需要直接創(chuàng)建矢量方向調(diào)整了，下面例子進(jìn)行說明。
2.3 案例2
圖 16 案例二
這個(gè)就是上面的圓筒的一個(gè)變種，說實(shí)話還沒找到很好的方法，只能說提供一種。
參照上面圓筒的思路，我們其實(shí)只要有每根梁的切線矢量就很好使槽口指向法向，因此難點(diǎn)就在如何得到各個(gè)梁的切線方向（向上面一步就調(diào)整好應(yīng)該很難）。好在hypermesh提供了比較健全的創(chuàng)建矢量的方法，能通過幾何很快得到切線方向，如下：
圖 17 創(chuàng)建切線矢量
圖 18 切線矢量示意
那么利用這些切線矢量來更新梁?jiǎn)卧?/em>指向就很方便了，如下所示，以最左邊一根為例：
圖 19 初次調(diào)整
全部調(diào)整完成后，我們也來看看單元坐標(biāo)系的指向：
圖 20 單元局部坐標(biāo)系示意
可以看到，局部坐標(biāo)系的Z軸通過IJ定義的X軸與矢量定義的叉積定義，恰為我們需要的方向。
3 小結(jié)
通過上面兩個(gè)例子其實(shí)截面方向（或者說單元坐標(biāo)系）定義的方式已經(jīng)比較明晰了。對(duì)于optistruct和nastran來說，梁?jiǎn)卧?/em>的方向是直接由方向矢量控制的，對(duì)于ansys來說實(shí)際是通過方向節(jié)點(diǎn)間接得到方向矢量，但是原理基本相似。個(gè)人其實(shí)一直沒有遇到上述問題，主要是因?yàn)榻⒌?em>梁模型都是比較規(guī)則的框架，因此只需要幾個(gè)方向節(jié)點(diǎn)就很好調(diào)整，但是一旦出現(xiàn)曲線或者環(huán)繞型框架，理解方向矢量以及方向節(jié)點(diǎn)就很有必要了，對(duì)于快速調(diào)整模型截面很有幫助。
來源：CAE交流之家
作者： ansys-聰聰
展開 如果是線性問題，那么Nastran和Abaqus的精度誤差主要體現(xiàn)在單元算法、邊界處理、MPC約束關(guān)系等，在2017年第二篇：S4殼單元質(zhì)量矩陣研究文章中我們就曾經(jīng)分析過Abaqus的S4殼單元和Nastran的Quad4殼單元質(zhì)量矩陣的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式和差異，在這里主要研究Abaqus、iSolver與Nastran梁?jiǎn)卧?/em>差異，由于這三款軟件的梁?jiǎn)卧?/em>的差異較多，我們分幾篇文章來說明，本篇是Abaqus、iSolver和Nastran梁差異（2）-梁截面方向。
2.1 梁截面方向
有限元是求受力情況下的位移等變形情況，也就是位移等未知量和外力存在一定關(guān)系。對(duì)于一根三維實(shí)體梁，梁實(shí)際受到的外力是三維全局空間的，如果直接用全局坐標(biāo)系下三維的力來求梁的受力分析，那么就需要對(duì)梁劃分為三維的體單元求解，網(wǎng)格數(shù)目和計(jì)算效率比較差，一種簡(jiǎn)單方法是對(duì)那些細(xì)長(zhǎng)的梁（Abaqus認(rèn)為是細(xì)長(zhǎng)比>8），此時(shí)可以用簡(jiǎn)單的等效為線單元的形式來表達(dá)位移和外力的關(guān)系，這樣只要用一個(gè)線單元就可以表示這個(gè)三維實(shí)體梁了，大大簡(jiǎn)化了求解矩陣。
實(shí)際的加載是多個(gè)力的組合，譬如下方采用手輪加載的力、彎矩和扭矩外載荷
但梁的有限元中可以把這個(gè)線單元受力關(guān)系分為：
（1） 軸向拉伸力
（2） 軸向扭轉(zhuǎn)
（3） 橫向彎曲力，可以加力載荷或者彎矩
三部分，此時(shí)每部分都有簡(jiǎn)單的位移和外力的公式，也就是存在一個(gè)局部坐標(biāo)系，簡(jiǎn)化梁理論總是先求出梁?jiǎn)卧?/em>局部坐標(biāo)系的剛度和質(zhì)量陣，然后再用三維變換直接轉(zhuǎn)到全局坐標(biāo)系下。
對(duì)（1）（2）軸向的受力，沿梁的軸向方向，而對(duì)（3）彎曲力，沿截面方向。
展開 徐變應(yīng)變可表達(dá)為：
其中， ?(t,τ)為徐變系數(shù)，需通過規(guī)范公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)擬合確定
Ansys程序中內(nèi)置金屬蠕變規(guī)律如下：
命令中詳細(xì)解釋了改公式的具體用法，以及參數(shù)意義。
二者除個(gè)別參數(shù)外形式具有異曲同工之妙，因此本案例給出用ansys精確分析混凝土徐變的方法，案例背景模擬了一個(gè)混凝土PK梁特定工況下的徐變發(fā)生過程。
案例文件中包含：
1. 00-ConcreteCreep-benchmark.mac【徐變標(biāo)定文件，開箱即用，可以用來和手算對(duì)比是否正確】
2. 01-ConcreteCreep-solid.mac【分輸入模塊的參數(shù)化徐變計(jì)算文件【詳細(xì)解釋了各參數(shù)取值】。只需要改文件和計(jì)算邊界荷載即可計(jì)算實(shí)體徐變。】
3. ansa文件，用來生成網(wǎng)格
4. .cdb文件，網(wǎng)格文件
5. excel轉(zhuǎn)apdl命令流文件，用來輸入徐變系數(shù)。
進(jìn)一步白話闡述一下：
1、什么是徐變？別看公式一大堆，理論一大推，簡(jiǎn)單講就是：受力的結(jié)構(gòu)，啥邊界條件、荷載不變的情況下，結(jié)構(gòu)還是慢慢變形了。將這種慢慢變形的變形結(jié)果以及應(yīng)力重分配準(zhǔn)確分析出來就是徐變分析。機(jī)理一大堆，教科書上都比較詳盡，在此不做贅述，只講應(yīng)用，而且是拿到案例開箱即用。
白話闡述要點(diǎn)：
1、案例是ansys apdl（命令流）分析的，給出了全套參數(shù)化命令流，材料模型定義、材料參數(shù)定義、求解，拿過來可以直接運(yùn)行。
2、機(jī)理是用了ansys中關(guān)于金屬蠕變的材料模型。（細(xì)想蠕變和徐變的現(xiàn)象，表征都是一樣的。至于機(jī)理，各有各的理論，但不影響材料模型使用。）
具體使用：
1、，先跑一遍，看看到底徐變是怎么個(gè)事兒。
展開 對(duì)于方程ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10
稍作變形，0 = UY3 - UY1 - 10*ROTZ2
由此式即可直接寫出對(duì)應(yīng)的ANSYS命令流：
CE,1,0,3,UY,1,1,UY,-1,2,ROTZ,-10
3 模型
本次為梁?jiǎn)卧?/em>與實(shí)體單元的連接，建立模型，如圖3所示，梁?jiǎn)卧?/em>與實(shí)體單元有一個(gè)節(jié)點(diǎn)位置重合，為使位移和力矩能夠傳遞，需要耦合兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)平移自由度，同時(shí)還需要用約束方程限制梁的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
圖3 梁?jiǎn)卧?/em>與實(shí)體單元
4 約束方程
節(jié)點(diǎn)自由度耦合比較好操作，采用CP命令，重合位置處的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)1（梁）和節(jié)點(diǎn)21（實(shí)體），自由度耦合如下：
CP,1,UX,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21X方向自由度
CP,2,UY,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21Y方向自由度
CP,3,UZ,1,21 !耦合節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)21Z方向自由度
為約束轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，由CE的參數(shù)項(xiàng)可知，需要先寫出轉(zhuǎn)動(dòng)約束方程，對(duì)照?qǐng)D4分別寫出三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束方程，圖4中紅圈的四個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在中心節(jié)點(diǎn)周圍，將這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束即可限制梁?jiǎn)卧?/em>和實(shí)體單元的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，自由度方程如下：
圖4 節(jié)點(diǎn)分布
ROTY(1)=(UX(626)-UX(2328))/ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)
ROTZ(1)=(UX(67)-UX(4283))/ABS(NY(67)-NY(4283)) !Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)
ROTX(1)=(UZ(67)-UZ(4283))/ABS(NY(67)-NY(4283)) !
展開 例如采用ANSYS模擬一個(gè)多層混凝土框架結(jié)構(gòu)，一般除計(jì)算整體指標(biāo)外，我們?cè)谟?jì)算具體荷載作用時(shí)（如風(fēng)荷載、地震作用、恒載、活載等），樓板一般采用彈性版，此時(shí)可用殼單元模擬，主梁、次梁采用梁?jiǎn)卧?/em>模擬，此時(shí)變?yōu)?em>梁?jiǎn)卧?/em>包含在殼面內(nèi)的情況，當(dāng)然此類情況是否需要考慮截面偏置，可根據(jù)具體工程而定。
對(duì)這中梁?jiǎn)卧?/em>包含在殼單元面內(nèi)的情況，只需要將梁?jiǎn)卧?/em>與殼單元共用節(jié)點(diǎn)即可，而無須格外建立約束方程。
三、梁?jiǎn)卧?/em>在殼單元內(nèi)但不包含
此種情況為梁與殼位于同一面內(nèi)，但其中面不包含梁線，適用于多尺度建模分析（如下圖）。梁?jiǎn)卧?/em>與殼單元的連接在端部可以通過剛性梁和剛性區(qū)域兩種方式連接。剛性梁采用MPC184單元，剛性區(qū)域采用Cerig命令，具體使用方法下期文章討論。
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ansys梁?jiǎn)卧较虻淖钚聝?nèi)容
開篇點(diǎn)題，不說廢話，直接給出生成梁?jiǎn)卧氖謩?dòng)操作方式和模塊化命令流。
手動(dòng)操作
介紹一下標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)梁?jiǎn)卧孛嫣匦裕阌诤罄m(xù)的梁?jiǎn)卧：头抡妗? 1，CAD做成sat文件：首先生成面域
2，file導(dǎo)入ACIS
3，定義單元，劃分網(wǎng)格
ET,1,plane82 !添加單元類型plane82
徐變是混凝土在長(zhǎng)期恒定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的時(shí)變不可逆變形，其發(fā)展規(guī)律呈現(xiàn)前期快速增長(zhǎng)、后期漸趨穩(wěn)定的特征。主要受應(yīng)力水平、材料配比、環(huán)境濕度、構(gòu)件尺寸及加載齡期等因素影響。
常用方法包括有效模量法、疊加法和老化理論。國(guó)內(nèi)規(guī)范（如JTG3362-2018）推薦基于線性疊加原理的徐變系數(shù)法。徐變應(yīng)變可表達(dá)為：
我當(dāng)時(shí)十分認(rèn)同，認(rèn)為在Sap2000中，如果實(shí)際中梁的中點(diǎn)處出現(xiàn)塑性，僅在兩端設(shè)置塑性鉸顯然無法捕捉到這個(gè)塑性，而如果采用Ansys，梁?jiǎn)卧?/em>長(zhǎng)度方向上任意位置進(jìn)入塑性均可以捕捉到。
在后來對(duì)有限元和梁?jiǎn)卧牟粩鄬W(xué)習(xí)中，實(shí)際上對(duì)于這個(gè)問題已經(jīng)有了更進(jìn)一步的思考。實(shí)際上，即使在Abaqus和Ansys中，對(duì)于梁?jiǎn)卧膊皇窃陂L(zhǎng)度方向上任意位置進(jìn)入塑性均可直接捕捉到的。
視頻是關(guān)于自己做項(xiàng)目時(shí)遇見的問題，有需要的同學(xué)可自行觀看。視頻是關(guān)于如何畫鋼筋，怎么導(dǎo)入ansys，如何選取侵徹爆炸中單元類型，如何選取鋼筋方向點(diǎn)，何如畫鋼筋網(wǎng)格的。
（原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載請(qǐng)說明出處）
1 概述
本系列文章研究成熟的有限元理論基礎(chǔ)及在商用有限元軟件的實(shí)現(xiàn)方式，通過
（1） 基礎(chǔ)理論
（2） 商軟操作
（3） 自編程序
三者結(jié)合的方式將復(fù)雜繁瑣的結(jié)構(gòu)有限元理論通過簡(jiǎn)單直觀的方式展現(xiàn)出來，同時(shí)深層次的學(xué)習(xí)有限元理論和商業(yè)軟件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理。
有限元的理論發(fā)展了幾十年已經(jīng)相當(dāng)成熟，商用有限元軟件同樣也是采用這些成熟的有限元理論
在《hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-梁?jiǎn)卧?》中對(duì)比了梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元的結(jié)果，表明梁?jiǎn)卧?jì)算結(jié)果更容易接近理論計(jì)算值，且付出的計(jì)算資源是很小的。但并非所有情況都是這樣，下面介紹一種情況實(shí)例來說明問題。
如圖兩端固支的C型薄壁梁，在梁中心位置作用一個(gè)F=100N的集中力，具體作用點(diǎn)是C型截面的上邊沿（上右圖），下面分別采用梁?jiǎn)卧蜌卧謩e計(jì)算該結(jié)構(gòu)工況下梁的變形梁，讀者可以自行計(jì)算嘗試并分析哪種結(jié)算結(jié)果更可靠
針對(duì)一個(gè)懸臂梁的固有頻率求解，本節(jié)課對(duì)采用梁?jiǎn)卧?shí)體單元和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
存在上圖尺寸的懸臂梁，分別采用三種方式計(jì)算該懸臂梁的第一階固有頻率。
1.理論計(jì)算
上式為計(jì)算懸臂梁的第一階固有頻率的計(jì)算公式，式中：
E：材料彈性模量-210000MPa
I：梁截面的慣性矩-2.6667mm^4
L：100mm
b:2mm
h:4mm
m:梁的質(zhì)量-7.85e
圖1
上圖為兩個(gè)1mm厚鈑金通過折彎形成的C型梁，通過焊接拼接在一起，兩個(gè)C型梁的截面方向均為開口朝外，下面通過該實(shí)例詳述創(chuàng)建該梁?jiǎn)卧姆椒ā? 1.抽取梁截面
將CAD文件導(dǎo)入hypermesh后如圖1所示，然后按照?qǐng)D2進(jìn)入HyperBeam面板。
圖2
選擇solid section，切換到面選擇，選擇圖中梁的端面點(diǎn)擊create后成功提取梁的截面并自動(dòng)切換到
前文已經(jīng)通過《hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-基本步驟1》系列詳細(xì)說明了hypermesh與ansys聯(lián)合仿真時(shí)的基本過程，下面通過一列文章按照單元類型分別介紹不同單元類型的建模方法以及使用這些單元時(shí)需要注意的問題，當(dāng)忽略這些問題時(shí)往往會(huì)造成較大的誤差甚至錯(cuò)誤。
梁?jiǎn)卧?jiǎn)介
當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向尺寸明顯大于截面尺寸時(shí)（常常設(shè)定為10:1），我們可以將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一維的梁?jiǎn)卧啾扔谌S的實(shí)體單元可以在保證求解精度的情況下大大降低計(jì)算量
梁模型
有限元模型
結(jié)果查看
結(jié)果查看
附件包括分析模型
