ansys梁單元強度分析的案例
應用梁單元進行機車輪軸的靜強度分析
一、問題描述
下圖（a）為機車輪軸的簡圖，試校核該軸的靜強度，已知直徑，，，，，,材料為45鋼，彈性模量，泊松比，屈服應力。
該工程問題可以簡化為簡支梁外端受載荷問題，七簡化模型及彎矩圖見（b）。梁段AB上，只有彎矩，沒有剪力，是純彎曲狀態；梁外伸到輪軸加載段，既有彎矩又有剪力，屬于橫力彎曲。根據材料力學，最大彎曲應力產生在C截面，C截面強度為：
下面利用workbench的結構靜力分析進行數值模擬并和理論結果對比。由于施力點F的外側不承受載荷，所以在數值模擬中的集合模型長度設為，采用三維有限應變梁單元。
對于梁單元，常用的有beam3,beam4,beam188這三種，他們的區別在于：
1)beam3是2D的梁單元，只能解決2維的問題。
2)beam4是3D的梁單元，可以解決3維的空間梁問題。
3)beam188是3D梁單元，可以根據需要自定義梁的截面形狀。
二、Linear Elastic材料選擇
Isotropic：各向同性彈性性能參數
Orthtropic：正交各向異性彈性性能參數
Anisotropic：各向異性彈性性能參數
故此，我們選擇Isotropic Elastidty（各向同性彈性性能參數）。
何為各向同性：
各向同性指物體的物理、化學等方面的性質不會因方向的不同而有所變化的特性，即某一物體在不同的方向所測得的性能數值完全相同，亦稱均質性。物理性質不隨量度方向變化的特性。即沿物體不同方向所測得的性能，顯示出同樣的數值。如所有的氣體、液體（液晶除外）以及非晶質物體都顯示各向同性。例如：金屬和巖石雖然沒有規則的幾何外形，各方向的物理性質也都相同，但因為它們是由許多晶粒構成的，實質上它們是晶體，也具有一定的熔點。由于晶粒在空間方位上排列是無規則的，所以金屬的整體表現出各向同性。
展開 Hypermesh入門（六）——Hypermesh—梁單元強度、模態分析
使用Hypermesh建立了梁單元的強度和模態分析有限元模型，使用Optistruct求解器，相較于NASTRAN，它可以同時完成強度分析和模態分析，且精度與NASTRAN基本一致。
基于ansys的梁單元、實體單元徐變精細化分析（含各參數解釋） ￥25
徐變應變可表達為：
其中， ?(t,τ)為徐變系數，需通過規范公式或實驗數據擬合確定
Ansys程序中內置金屬蠕變規律如下：
命令中詳細解釋了改公式的具體用法，以及參數意義。
二者除個別參數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【分輸入模塊的參數化徐變計算文件【詳細解釋了各參數取值】。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，用來生成網格
4. .cdb文件，網格文件
5. excel轉apdl命令流文件，用來輸入徐變系數。
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：受力的結構，啥邊界條件、荷載不變的情況下，結構還是慢慢變形了。將這種慢慢變形的變形結果以及應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，給出了全套參數化命令流，材料模型定義、材料參數定義、求解，拿過來可以直接運行。
2、機理是用了ansys中關于金屬蠕變的材料模型。（細想蠕變和徐變的現象，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 Hypermesh入門（四）——Hypermesh—桌子強度分析（梁殼混合單元） ￥1
本文是一個受均布載荷的方桌，桌面使用殼單元，桌腿使用梁單元，是一個不可多得的好實例，適于入門學習使用。
基于ANSYS APDL的輸電導線復合材料梁單元找形分析（二）
3基于ANSYS輸電導線梁模型的找形分析
3.1輸電導線ANSYS模擬復合材料模型的基本思想
如圖3所示，本文采用復合材料梁模型模擬輸電導線，在ANSYS中通過截面設置來實現不同鋼芯和鋁絞線兩種材料的賦予。不同于將導線看做一個均勻化的整體模型，復合材料梁單元模型分別對鋼芯和鋁絞線部分賦予對應的材料參數，滿足各自的本構關系，這樣更有助于分析導線內部的應力分布。復合材料模型需要通過截面設置來實現不同材料的賦予。同時，為了避免重力的二階效應帶來的影響，在ANSYS中選擇BEAM189三維3節點梁單元來模擬輸電導線，該單元具有應力剛化效應、模擬大變形、蠕變的功能等特點。
圖3 輸電導線截面材料分布圖
3.2輸電導線ANSYS模擬復合材料模型的基本步驟
如圖3所示，本文采用復合材料梁模型來模擬導線，鋼芯和鋁絞線部分分開來建模，在ANSYS中通過截面設置來實現不同鋼芯和鋁絞線兩種材料的賦予。本文復合材料梁模型找形基本步驟如下：
（1）建立初始有限元找形模型：
目前主要的初始導線建模方法有兩種，一種是在導線弦線位置上創建初始直線幾何模型；另一種是通過架線參數、輸電線載荷參數依照式（3）建立懸鏈線模型。本文采用后一種方法建模：即通過公式在兩懸掛點間建立懸鏈線模型，通過后續迭代計算不斷自動更新校正導線有限元模型，最終得到找形后的標準導線初始形態。
（2）加載求解:
施加自重荷載、初應變后求解,更新導線有限元模型，如果求解后的結果不能滿足收斂條件，則繼續迭代求解直到滿足收斂條件為止。
展開 基于ANSYS APDL的輸電導線復合材料梁單元找形分析（一）
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一榀鋼排架（常為門式剛架）ANSYS靜力分析（梁單元） ￥2.5
作者介紹： 力學碩士，有七年的結構有限元分析經驗
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在ANSYS中，剛架結構要使用梁單元（Beam單元）進行分析。在新版的ANSYS中，一般都推薦使用beam188或者beam189單元。在力學理論中，常用的梁力學模型有兩種，一種是歐拉梁，不考慮剪切變形對梁撓度的影響。還有一種是鐵木辛柯梁，考慮剪切變形對撓度的影響，但假設切應力是均布的。BEAM188和BEAM189單元使用的梁模型為鐵木辛柯梁。BEAM188單元有兩個節點，BEAM189單元有三個節點，一般情況下每個節點有六個自由度，即沿節點坐標系XYZ的平移自由度和繞XYZ的轉動自由度，通過設置，可以開啟節點的第七個自由度，稱為翹曲自由度，筆者對翹曲自由度無研究。對于本文的一榀鋼排架分析，有如下注意事項：
1 梁結構，提取節點位移和轉角，使用后處理命令PRNSOL;
2 梁結構，提取約束反力，使用后處理命令PRRSOL；
3 梁結構，繪制軸力圖，彎矩圖，剪力圖等，使用后處理命令ETABLE;
后文目錄：
一：建模
二：求解
三：后處理(位移,轉角,約束反力,彎矩,軸力,剪力等)
四：源文件
展開 ANSYS梁單元與實體單元的耦合與約束方程
ANSYS梁單元與實體單元的耦合與約束方程
By長安CAE
1 概述
在ANSYS計算過程中，有時候會遇到不同單元之間進行連接，由于不同的單元自由度不同，連接時通常需要通過耦合和約束方程建立節點自由度的關系，保證結果的準確性。
耦合可以理解成是將耦合的對象某個自由度作相等處理，而約束方程則不局限于相等這個關系，其可以描述具有某種關系的自由度。如圖1所示，為梁單元與平面單元的連接。如果不采用約束方程，力矩的傳遞無法完成，因為平面單元沒有轉動自由度。
圖1 梁單元與平面單元連接
為使節點2具有力矩傳遞的能力，要求1、2、3節點之間的自由度滿足以下關系：
ROTZ2 = (UY3 - UY1)/10
再通過CE命令，即可將此關系通過約束方程的形式施加給1、2、3節點。
2 命令
查看ANSYS的幫助文檔，查詢CE命令的解釋，如圖2所示。
圖2 ANSYS的CE命令解釋
CE, NEQN, CONST, NODE1, Lab1, C1, NODE2, Lab2, C2, NODE3, Lab3, C3
其中，NEQT表示常數，用于區別約束方程，一般可以用數字1、2、3表示即可，表示第幾個約束方程；
CONST表示方程的常數項，一般為0；
NODE1，表示第一個節點；
Lab1，表示自由度標簽，對于結構而言，就是三個平移和三個轉動自由度；
C1，表示該自由度的系數；
同理，后面的也一樣。
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構，一般除計算整體指標外，我們在計算具體荷載作用時（如風荷載、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，此時變為梁單元包含在殼面內的情況，當然此類情況是否需要考慮截面偏置，可根據具體工程而定。
對這中梁單元包含在殼單元面內的情況，只需要將梁單元與殼單元共用節點即可，而無須格外建立約束方程。
三、梁單元在殼單元內但不包含
此種情況為梁與殼位于同一面內，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域兩種方式連接。剛性梁采用MPC184單元，剛性區域采用Cerig命令，具體使用方法下期文章討論。
展開 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：工業廠房
此類結構一般橫向跨度較大，屋頂采用鋼結構形式，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：門廳鋼結構雨棚
在具體模擬該結構時，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構的時候比較多，其特點是桿件兩端不考慮承受彎矩作用，節點只有平動自由度，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，注意本案例各構件尺寸僅為演示操作需要所擬，未經仔細推敲，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模擬該結構。
下面為建模過程
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展開 基于HyperWorks的扭力梁強度分析
摘 要：某工裝車在可靠性道路試驗中，發現扭力梁多處開裂。本文應用HyperWorks進行扭力梁強度分析，找出了扭力梁開裂的根本原因。通過對扭力梁結構進行優化設計，達到了扭力梁的強度疲勞設計目標。
關鍵詞：HyperWorks 扭力梁 強度 優化
1 引言
某工裝車在可靠性道路試驗中，發現扭力梁下加強板多處開裂，如圖1所示。扭力梁作為后懸架重要的支撐和性能部件，如果不及時整改，將會嚴重影響整車的可靠性、操縱穩定性、平順性等性能的充分發揮，甚至會產生嚴重的安全隱患問題。所以，必須找出引起扭力梁開裂的根本原因，從源頭上解決該問題以提高產品質量，滿足汽車研發中扭力梁可靠性使用要求。
本文通過HyperWorks軟件，建立扭力梁有限元模型進行強度分析，分析結果發現扭力梁開裂處出現極大的應力集中，容易導致疲勞開裂，這與試驗結果十分吻合。通過對扭力梁進行結構優化和強度分析，達到了扭力梁的強度疲勞設計目標。
2 扭力梁強度分析
2.1有限元模型
根據扭力梁的結構特點，對整個扭力梁和焊縫均采用殼單元在HyperMesh中進行網格劃分，實心扭力桿和橡膠襯套采用六面體單元模擬，有限元模型如圖1所示。
2.2 材料屬性
為了提高計算結果的精度，計算中考慮了材料非線性和幾何非線性，所以扭力梁使用的各種材料（如B510L、Q235、DC04等等）不僅給出了它的彈性模量和泊松比，還給出了材料發生塑性變形后的應變和應力的關系曲線。
2.3 強度分析工況和設置
懸架系統承受路面沖擊載荷的大小與車輛行駛速度、路面狀況和載重量等因素有關。
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Hypermesh為ANSYS創建梁單元（三） ￥1
如下圖為導入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。
展開 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，而這也是我們日常工程中比較常見的一種連接方式。
首先從2D平面單元單元開始說起。
盡管現在的ANSYS版本已經摒棄了很古老的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系方程，但值得注意的是由于采用了局部區域的節點，因而在建立關系的局部區域內可能會有應力集中的情況，后處理當中應格外注意。
約束方程法后續講解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，虛擬梁單元與內部實體單元強制剛接，從而間接實現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，虛擬梁單元應至少與實體單元的兩個節點相連，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 Hypermesh為ansys創建梁單元（一） ￥1
Hypermesh與ansys聯合仿真系列之Hypermesh為ansys創建梁單元（一）。
本文介紹ansys梁單元中的beam188和beam189及它們之間的本質區別，以及仿真時對兩種梁單元的選擇建議。簡介梁單元的關鍵字設置及截面設置，主要介紹通過Hypermesh在ansys求解器下兩種創建梁單元的詳細步驟及效果對比。
ansys中梁單元截面類型
ansys中梁單元截面類型總共給了12種，如下圖
最后一種“ASEC”，即其他亞類，不需要形狀，只需輸入一些截面的數據即可。
ASEC類型有如下圖幾個參數：
如圖共有11種關于截面屬性的參數：A,Iyy, Iyz, Izz, Iw, J, CGy, CGz, SHy, SHz, TKz,
TKy
各個屬性所代表的參數的意義
A = Area of section 截面面積
Iyy = Moment of inertia about the y axis 對y軸的慣性矩
Iyz = Product of inertia 慣性積
Izz = Moment of inertia about the z axis z軸的轉動慣量
Iw = Warping constant 翹曲慣性矩
J = Torsional constant 扭轉常數
CGy = y coordinate of centroid y坐標的重心
CGz = z coordinate of centroid z坐標的重心
SHy = y coordinate of shear center y坐標的剪切中心
SHz = z coordinate of shear center z坐標的剪切中心
TKz = Thickness along Z axis (maximum height)沿Z軸厚度
TKy = Thickness along Y axis (maximum width)沿Y軸厚度
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