ansys梁單元方向的案例
梁單元截面方向的調(diào)整-方向矢量
這個時候需要直接創(chuàng)建矢量方向調(diào)整了，下面例子進行說明。
2.3 案例2
圖 16 案例二
這個就是上面的圓筒的一個變種，說實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，因此難點就在如何得到各個梁的切線方向（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單元指向就很方便了，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系的指向：
圖 20 單元局部坐標系示意
可以看到，局部坐標系的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)
通過上面兩個例子其實截面方向（或者說單元坐標系）定義的方式已經(jīng)比較明晰了。對于optistruct和nastran來說，梁單元的方向是直接由方向矢量控制的，對于ansys來說實際是通過方向節(jié)點間接得到方向矢量，但是原理基本相似。個人其實一直沒有遇到上述問題，主要是因為建立的梁模型都是比較規(guī)則的框架，因此只需要幾個方向節(jié)點就很好調(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)點就很有必要了，對于快速調(diào)整模型截面很有幫助。
來源：CAE交流之家
作者： ansys-聰聰
展開 有限元理論基礎(chǔ)及Abaqus內(nèi)部實現(xiàn)方式研究系列38： 梁單元差異（2）-梁截面方向
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)部實現(xiàn)方式和差異，在這里主要研究Abaqus、iSolver與Nastran梁單元差異，由于這三款軟件的梁單元的差異較多，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。對于一根三維實體梁，梁實際受到的外力是三維全局空間的，如果直接用全局坐標系下三維的力來求梁的受力分析，那么就需要對梁劃分為三維的體單元求解，網(wǎng)格數(shù)目和計算效率比較差，一種簡單方法是對那些細長的梁（Abaqus認為是細長比>8），此時可以用簡單的等效為線單元的形式來表達位移和外力的關(guān)系，這樣只要用一個線單元就可以表示這個三維實體梁了，大大簡化了求解矩陣。
實際的加載是多個力的組合，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，此時每部分都有簡單的位移和外力的公式，也就是存在一個局部坐標系，簡化梁理論總是先求出梁單元局部坐標系的剛度和質(zhì)量陣，然后再用三維變換直接轉(zhuǎn)到全局坐標系下。
對（1）（2）軸向的受力，沿梁的軸向方向，而對（3）彎曲力，沿截面方向。
展開 基于ansys的梁單元、實體單元徐變精細化分析（含各參數(shù)解釋） ￥25
徐變應(yīng)變可表達為：
其中， ?(t,τ)為徐變系數(shù)，需通過規(guī)范公式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)擬合確定
Ansys程序中內(nèi)置金屬蠕變規(guī)律如下：
命令中詳細解釋了改公式的具體用法，以及參數(shù)意義。
二者除個別參數(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【徐變標定文件，開箱即用，可以用來和手算對比是否正確】
2. 01-ConcreteCreep-solid.mac【分輸入模塊的參數(shù)化徐變計算文件【詳細解釋了各參數(shù)取值】。只需要改文件和計算邊界荷載即可計算實體徐變。】
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)力重分配準確分析出來就是徐變分析。機理一大堆，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：
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，拿過來可以直接運行。
2、機理是用了ansys中關(guān)于金屬蠕變的材料模型。（細想蠕變和徐變的現(xiàn)象，表征都是一樣的。至于機理，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事兒。
展開 ANSYS梁單元與實體單元的耦合與約束方程
對于方程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
本次為梁單元與實體單元的連接，建立模型，如圖3所示，梁單元與實體單元有一個節(jié)點位置重合，為使位移和力矩能夠傳遞，需要耦合兩個節(jié)點的三個平移自由度，同時還需要用約束方程限制梁的三個轉(zhuǎn)動自由度。
圖3 梁單元與實體單元
4 約束方程
節(jié)點自由度耦合比較好操作，采用CP命令，重合位置處的兩個節(jié)點分別為節(jié)點1（梁）和節(jié)點21（實體），自由度耦合如下：
CP,1,UX,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21X方向自由度
CP,2,UY,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21Y方向自由度
CP,3,UZ,1,21 !耦合節(jié)點1和節(jié)點21Z方向自由度
為約束轉(zhuǎn)動自由度，由CE的參數(shù)項可知，需要先寫出轉(zhuǎn)動約束方程，對照圖4分別寫出三個轉(zhuǎn)動自由度的約束方程，圖4中紅圈的四個節(jié)點分布在中心節(jié)點周圍，將這幾個節(jié)點進行約束即可限制梁單元和實體單元的轉(zhuǎn)動自由度，自由度方程如下：
圖4 節(jié)點分布
ROTY(1)=(UX(626)-UX(2328))/ABS(NZ(626)-NZ(2328)) !Y軸轉(zhuǎn)動
ROTZ(1)=(UX(67)-UX(4283))/ABS(NY(67)-NY(4283)) !Z軸轉(zhuǎn)動
ROTX(1)=(UZ(67)-UZ(4283))/ABS(NY(67)-NY(4283)) !
展開 
ANSYS各類型單元連接專題講解(五)之3D梁單元與殼單元剛接
例如采用ANSYS模擬一個多層混凝土框架結(jié)構(gòu)，一般除計算整體指標外，我們在計算具體荷載作用時（如風(fēng)荷載、地震作用、恒載、活載等），樓板一般采用彈性版，此時可用殼單元模擬，主梁、次梁采用梁單元模擬，此時變?yōu)?em>梁單元包含在殼面內(nèi)的情況，當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。
對這中梁單元包含在殼單元面內(nèi)的情況，只需要將梁單元與殼單元共用節(jié)點即可，而無須格外建立約束方程。
三、梁單元在殼單元內(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）。梁單元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。
展開 ANSYS/LS-dyna侵徹爆炸鋼筋單元及方向點選取 ￥50
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，何如畫鋼筋網(wǎng)格的。
ANSYS各類型單元連接專題講解（四）之2D梁與2D實體單元剛接
前面文章主要講解了梁單元與其他類型單元鉸接的情況，從本篇文章開始，將主要講解梁單元與各類單元剛接的情況，而這也是我們?nèi)粘９こ讨斜容^常見的一種連接方式。
首先從2D平面單元單元開始說起。
盡管現(xiàn)在的ANSYS版本已經(jīng)摒棄了很古老的2D梁單元，改用Beam18x系列單元代替，但為究其連接方法，這類方面仍具有一定的講解價值，例如我們計算一榀框架的時候多數(shù)時候是采用2D平面單元的。
2D梁單元包括：beam3、beam23、beam54
2D實體單元：plane單元
一般來講，2D梁單元與2D實體單元剛接一般分為三種方法：
1）約束方程法；2）偽梁法；3）MPC法。
三種方法的連接原理無非是建立自由度之間的關(guān)系方程，但值得注意的是由于采用了局部區(qū)域的節(jié)點，因而在建立關(guān)系的局部區(qū)域內(nèi)可能會有應(yīng)力集中的情況，后處理當中應(yīng)格外注意。
約束方程法后續(xù)講解3D梁單元連接時會詳細說明，此處簡單說下偽梁法與MPC法。
其實偽梁法與MPC法原理基本一樣，構(gòu)造一個虛擬梁單元，使虛擬梁單元與外部梁單元剛接，虛擬梁單元與內(nèi)部實體單元強制剛接，從而間接實現(xiàn)外部梁單元與實體單元的剛接效果。
使用偽梁法需注意的是，在建立虛擬梁單元時，虛擬梁單元應(yīng)至少與實體單元的兩個節(jié)點相連，剛度可取為無窮大或者實際梁單元的10^5倍。
下面以一個小案例來演示。
如上圖所示，兩塊小鋼板中間靠一小鋼梁連接，小鋼梁上有均布荷載，尺寸如上所示，均以mm計，中間鋼梁所受均布荷載為10KN/m,采用ANSYS模擬該情況。
展開 在ANSYS中用表面效應(yīng)單元加任意方向的荷載
如果已經(jīng)知道荷載在整體坐標系內(nèi)的方向失量為(0,1,1)，可以用如語句加該方向的荷載
sfe,all,5,pres,,100,0,1,1 !荷載值100后的三個數(shù)為方向失量
allsel,all
eplot
通過以上命令流得到的荷載圖如下
需要注意的時圖中(0,1,1)方向的荷載值為70.71=100*sqrt(2)/2，剛好是命令流中的荷載值乘以方向余弦。可以用sfelist命令查看單元上的荷載值。
另外，可以再結(jié)合sfgrad命令施加沿某個坐標軸方向荷載值變化的荷載。可以參考“[url=http://blog.sina.com.cn/s/blog_47569d4601000aap.html]ANSYS中加變化的面荷載的方法”
·
在ANSYS中如果要在一個面上施加沿某個方向變化的面荷載，需要有兩步來完成：
這里以一個在圓筒內(nèi)表面加內(nèi)水壓力的例子進行說明。
第一步，設(shè)置面荷載變化規(guī)律。如果面荷載沿Z向變化，后面指定面荷載從Z=100開始變化，并按斜率為-9800進行變化，可用如下語句
sfgrad,pres,,z,100,-9800 !也就是準備在高100米的圓柱加內(nèi)水壓力吧
第二步，施加面荷載。在指定的面上施加按第一步設(shè)置的面荷載變化規(guī)律的面荷載。
SFA,P51X,1,PRES,0
這個語句相當于在指定面上施加法向荷載(選圓筒體內(nèi)表面)，在Z=100時荷載值為0，隨Z坐標變化荷載值以變化率-9800進行變化，這樣在Z=0時荷載值為-9800*100
每次用sfgrad進行設(shè)置后僅對隨后的sfa命令有效，直倒下次再用sfgrad進行設(shè)置。
展開 Hypermesh為ansys創(chuàng)建梁單元（一） ￥1
Hypermesh與ansys聯(lián)合仿真系列之Hypermesh為ansys創(chuàng)建梁單元（一）。
本文介紹ansys梁單元中的beam188和beam189及它們之間的本質(zhì)區(qū)別，以及仿真時對兩種梁單元的選擇建議。簡介梁單元的關(guān)鍵字設(shè)置及截面設(shè)置，主要介紹通過Hypermesh在ansys求解器下兩種創(chuàng)建梁單元的詳細步驟及效果對比。
ANSYS各類型單元連接專題講解（二）之桿與梁殼體單元的連接
前一篇文章主要介紹了單元之間連接的主要原則，今天開始主要從具體方面講解連接方法。
按照桿、梁、殼、實體的順序，先說說桿單元與各單元的連接方法。
那么什么時候需要用到桿單元與各種單元的連接呢？水哥稍微列舉下實際工程中需要考慮此類連接的例子。
案例一：工業(yè)廠房
此類結(jié)構(gòu)一般橫向跨度較大，屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)形式，在具體模擬屋架時，此時各個桿件可看成鉸接，采用桿單元模擬。而下方框架柱則采用梁單元進行模擬，在相交部位則需要用到桿單元與梁單元的連接。
案例二：門廳鋼結(jié)構(gòu)雨棚
在具體模擬該結(jié)構(gòu)時，雨棚上方拉桿采用桿單元模擬，而下方的鋼梁采用梁單元模擬，混凝土框架柱可采用實體單元模擬。
一直以來，桿單元一般用于模擬桁架結(jié)構(gòu)的時候比較多，其特點是桿件兩端不考慮承受彎矩作用，節(jié)點只有平動自由度，是所有單元中最為簡單的一種。
桿單元分為2D桿單元和3D桿單元，2D桿單元節(jié)點只有Ux和Uy兩個平動自由度，而3D桿單元除了這兩個，還有Uz。其他單元，梁單元、殼單元、體單元都包含了這三個自由度，且具有相同的物理意義，按照前面一篇文章所介紹的連接總則，桿單元與其他單元連接時只需要共用節(jié)點即可，無需建立約束方程。
下面是一個簡單的類似雨棚案例，注意本案例各構(gòu)件尺寸僅為演示操作需要所擬，未經(jīng)仔細推敲，各工程大佬可忽略。
某屋外雨棚平面簡化模型如上，長度為4m，折算荷載為10 KN/m，雨棚梁采用工字型鋼I40，系桿截面面積為238.64mm^2，材料均為Q235，采用ANSYS模擬該結(jié)構(gòu)。
下面為建模過程
!
展開 ANSYS梁單元自定義截面
梁單元作為一種簡單且高效的計算單元，在結(jié)構(gòu)分析尤其是建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。使用梁單元可以避免將結(jié)構(gòu)中梁柱全部轉(zhuǎn)換為實體單元，從而降低了計算量，且梁單元結(jié)構(gòu)形式簡單，求解精度也相對較高。在ANSYS中，梁單元基本上可以分為線性單元和二次單元，二者之間計算理論不同，經(jīng)典的二次單元即BEAM189單元的積分點如下圖所示：
在ANSYS中可以為BEAM單元定義截面，其中大部分經(jīng)典的截面形式都包含在ANSYS的截面庫中，但是經(jīng)典的梁單元計算時截面方向分為四個單元，這對于一般計算來說是足夠的，但如果需要仔細分析截面方向的內(nèi)力，可能就略顯的粗糙了。除此之外，鋼管混凝土、組合梁之類也都是異形梁截面，此時標準截面庫中的數(shù)據(jù)也沒什么用。針對這個問題存在兩種解決方式，一種是使用ASEC自定義截面參數(shù)，這個命令不管截面如何，只需要給出截面相關(guān)的信息即可，截面的信息輸入如下圖所示：
至于這些截面的參數(shù)可以使用簡單的截面計算工具得到，如果是鋼筋混凝土梁這種比較復(fù)雜的復(fù)合梁，那么需要使用Xtract之類的截面有限元軟件進行計算。將截面信息填入。采用ASEC的截面輸入方式計算效率高，截面信息準確的話，精度也不差，但缺點是不能輸出截面積分點和柵點的數(shù)據(jù)。
另一種方式就是自定義截面，其基本思路如下：
1.設(shè)定MESH200單元，建立截面幾何形狀；
2.用MESH200單元劃分截面，并保存截面數(shù)據(jù)；
3.建立計算幾何模型，讀取截面數(shù)據(jù)；
4.賦予模型截面，施加邊界條件計算；
5.后處理。
展開 
ANSYS梁單元自定義截面
ANSYS梁單元自定義截面
梁單元作為一種簡單且高效的計算單元，在結(jié)構(gòu)分析尤其是建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。使用梁單元可以避免將結(jié)構(gòu)中梁柱全部轉(zhuǎn)換為實體單元，從而降低了計算量，且梁單元結(jié)構(gòu)形式簡單，求解精度也相對較高。在ANSYS中，梁單元基本上可以分為線性單元和二次單元，二者之間計算理論不同，經(jīng)典的二次單元即BEAM189單元的積分點如下圖所示：
在ANSYS中可以為BEAM單元定義截面，其中大部分經(jīng)典的截面形式都包含在ANSYS的截面庫中，但是經(jīng)典的梁單元計算時截面方向分為四個單元，這對于一般計算來說是足夠的，但如果需要仔細分析截面方向的內(nèi)力，可能就略顯的粗糙了。除此之外，鋼管混凝土、組合梁之類也都是異形梁截面，此時標準截面庫中的數(shù)據(jù)也沒什么用。針對這個問題存在兩種解決方式，一種是使用ASEC自定義截面參數(shù)，這個命令不管截面如何，只需要給出截面相關(guān)的信息即可，截面的信息輸入如下圖所示：
至于這些截面的參數(shù)可以使用簡單的截面計算工具得到，如果是鋼筋混凝土梁這種比較復(fù)雜的復(fù)合梁，那么需要使用Xtract之類的截面有限元軟件進行計算。將截面信息填入。采用ASEC的截面輸入方式計算效率高，截面信息準確的話，精度也不差，但缺點是不能輸出截面積分點和柵點的數(shù)據(jù)。
另一種方式就是自定義截面，其基本思路如下：
1.設(shè)定MESH200單元，建立截面幾何形狀；
2.用MESH200單元劃分截面，并保存截面數(shù)據(jù)；
3.建立計算幾何模型，讀取截面數(shù)據(jù)；
4.賦予模型截面，施加邊界條件計算；
5.后處理。
展開 hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-《梁單元4》 ￥1
在《hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-梁單元3》中對比了梁單元和實體單元的結(jié)果，表明梁單元計算結(jié)果更容易接近理論計算值，且付出的計算資源是很小的。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F=100N的集中力，具體作用點是C型截面的上邊沿（上右圖），下面分別采用梁單元和殼單元分別計算該結(jié)構(gòu)工況下梁的變形梁，讀者可以自行計算嘗試并分析哪種結(jié)算結(jié)果更可靠？造成這個結(jié)果的原因是什么？我們?nèi)绾卧?em>梁單元與殼單元之間做選擇
梁截面尺寸
展開 hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-《梁單元1》
前文已經(jīng)通過《hypermesh-ansys聯(lián)合仿真-基本步驟1》系列詳細說明了hypermesh與ansys聯(lián)合仿真時的基本過程，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需要注意的問題，當忽略這些問題時往往會造成較大的誤差甚至錯誤。
梁單元簡介
當結(jié)構(gòu)長度方向尺寸明顯大于截面尺寸時（常常設(shè)定為10:1），我們可以將結(jié)構(gòu)簡化為一維的梁單元，相比于三維的實體單元可以在保證求解精度的情況下大大降低計算量。ANSYS中3D分析中的梁單元主要采用Beam188和Beam189，均被默認為鐵摩辛柯（Timoshenko）梁單元，該假設(shè)認為變形后橫截面保持平面且不發(fā)生扭曲，可以計算彎曲、拉壓、扭轉(zhuǎn)并且考慮剪切變形的影響，兩種梁單元可以滿足大多數(shù)工程問題。
Beam188 單元具有I和J兩個節(jié)點，每個節(jié)點有6-7個自由度。在高版本中可以通過KEYOPT(3)選擇插值函數(shù)，默認KEYOPT(3)=0，單元在梁長度方向只有一個積分點，因此在采用SMISC獲取節(jié)點I和J的結(jié)果時，以重心的結(jié)果表示兩個節(jié)點的結(jié)果，導(dǎo)致彎矩圖呈現(xiàn)鋸齒狀；如果KEYOPT(3)=2，ANSYS采用增加一個內(nèi)部節(jié)點（用戶無法訪問）沿著梁長設(shè)置兩個積分點，這樣彎矩圖沿著梁線性變化不再呈鋸齒狀。當KEYOPT(3)=2時除了初始幾何為直線（不管是否采用二次插值）和不能訪問增加的節(jié)點外其他和Beam189相同。目前2019版本的Hypermesh可以為ANSYS求解器設(shè)置線性插值、二次插值和三次插值。Beam188單元支持線性分析，大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)變等非線性分析，支持彈性材料定義， 塑性、蠕變以及其余非線性材料定義。
展開 Hypermesh為ANSYS創(chuàng)建梁單元（三） ￥1
如下圖為導(dǎo)入Hypermesh中的實體梁，截面為非對稱，即截面在任何方向上都沒有對稱軸。本節(jié)通過Hypermesh提取實體梁的截面作為1D梁單元的截面。
圖1實體梁
圖2beam188梁單元
圖2是將提取的實體梁截面賦予beam188梁單元后的效果，藍色是1D梁單元，綠色是原來的實體梁，兩者完全重合。
通過該方法建立梁單元的關(guān)鍵點是梁截面的提取和賦予1D梁單元時梁截面方向的控制。
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