ansys 梁單元鉸單元
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
ansys 梁單元鉸單元的視頻教程
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ansys 梁單元鉸單元的實例教程
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前面一篇文章主要講解了桿單元與各類單元連接的基本情況，在很多時候，我們使用梁單元的頻率要遠遠大于桿單元，因而如何處理好梁單元與各類單元的連接是做好仿真模擬的關鍵。
梁單元與桿單元不同之處在于節點除了有平動自由度之外，還附加有轉動自由度。針對2D梁單元，節點具有Ux、Uy以及Rotz三個自由度；針對3D梁單元，節點具有Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty、Rotz以及WaRp(僅Beam18x系列單元)。
板殼單元實際上具有五個自由度，分別為Ux、Uy、Uz以及Rotx、Roty，但很多時候引入了第六個面內轉動Rotz，但值得注意的是該自由度的含義與梁單元的Rotz含義并不相同。
2D實體單元節點自由度僅有Ux、Uy，3D實體單元節點自由度包含Ux、Uy、Uz。
從上面可見，不同單元類型其節點自由度的數目以及含義不一樣，因而在處理單元連接時，需根據實際情況分不同種類來確定其連接方法。但就梁單元而言，與各單元類型的連接可分為如下情況：
1）梁單元與殼、實體單元鉸接；
2）2D梁單元與2D實體單元剛接；
3）3D梁單元與殼單元剛接；
4）3D梁單元與3D實體單元剛接；
本篇介紹梁單元與殼、體單元的鉸接問題。
從上面介紹的三種單元節點自由度類型可見，梁單元與體單元節點的平動自由度物理意義相同，因此如果需實現梁單元與實體單元的鉸接，兩者共用節點即可；也可兩者無共用節點，但具有重合節點時，直接耦合節點的平動自由度。
然殼單元與梁單元的節點自由度除了Rotz有所不同外，其余5個自由度皆具有相同的物理意義，因而當梁單元與殼單元具有公共節點時，可認為是除了Rotz外的一種剛性連接，例如最常見的建筑結構梁板體系的模擬。
展開 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 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。
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開篇點題，不說廢話，直接給出生成梁單元的手動操作方式和模塊化命令流。
手動操作
介紹一下標準化生產梁單元截面特性，便于后續的梁單元建模和仿真。
1，CAD做成sat文件：首先生成面域
2，file導入ACIS
3，定義單元，劃分網格
ET,1,plane82 !添加單元類型plane82
徐變是混凝土在長期恒定應力作用下產生的時變不可逆變形，其發展規律呈現前期快速增長、后期漸趨穩定的特征。主要受應力水平、材料配比、環境濕度、構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。國內規范（如JTG3362-2018）推薦基于線性疊加原理的徐變系數法。徐變應變可表達為：
在《hypermesh-ansys聯合仿真-梁單元3》中對比了梁單元和實體單元的結果，表明梁單元計算結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構工況下梁的變形梁，讀者可以自行計算嘗試并分析哪種結算結果更可靠
針對一個懸臂梁的固有頻率求解，本節課對采用梁單元、實體單元和理論計算結果進行對比。
存在上圖尺寸的懸臂梁，分別采用三種方式計算該懸臂梁的第一階固有頻率。
1.理論計算
上式為計算懸臂梁的第一階固有頻率的計算公式，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:梁的質量-7.85e
圖1
上圖為兩個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C型梁的截面方向均為開口朝外，下面通過該實例詳述創建該梁單元的方法。
1.抽取梁截面
將CAD文件導入hypermesh后如圖1所示，然后按照圖2進入HyperBeam面板。
圖2
選擇solid section，切換到面選擇，選擇圖中梁的端面點擊create后成功提取梁的截面并自動切換到
前文已經通過《hypermesh-ansys聯合仿真-基本步驟1》系列詳細說明了hypermesh與ansys聯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
當結構長度方向尺寸明顯大于截面尺寸時（常常設定為10:1），我們可以將結構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
梁模型
有限元模型
結果查看
結果查看
附件包括分析模型
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
接上篇《Hypermesh為ANSYS創建梁單元（一）》，此篇主要介紹通過形心或剪切中心和節點方向來控制非對稱梁截面的位置和方向。如下圖分別是實體梁和創建的beam188梁之間的對比，通過上述控制1D梁與實體梁的位置和方向完美重合。
實體梁
實體梁和beam188（藍色）對比效果
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。
