cbeam單元的案例
【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
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）
線單元，也稱作1D單元，用于表示桿和梁的特性。1D單元用于描述兩個節點之間直線或曲線結構的剛度。典型的應用
包括梁結構、加強筋、拉索、支撐裝置、網格連接等等。
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。
展開 
NX NASTRAN 單元庫學習記錄——3.2 CBAR Element
最后注意：
CBAR 單元假定中性軸和剪切中心重合。對于非對稱橫截面，實際的剪切中心與中性軸不重合。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。
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 梁單元結構建模optistruct求解查看應力，沒有Von mises、normal stress? ￥20
本帖子是關于：整體以梁單元結構建模進行預應力模態分析，optistruct求解后查看應力結果，沒有von mises stress、normal/shear stress應力信息的原因，以及如何解決這個問題的方法。
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 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 一種新型轎車前艙蓋結構優化分析
1 模型概況
前艙蓋總成有限元模型以鈑金件為主，模型主要采用殼單元和實體單元進行建模：其中殼單元總共25189個，實體單元9440個。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。
展開 螺紋連接:仿真分析簡化
，可以通過擴大耦合范圍來增強局部剛度區域
③由于不需要進行非線性接觸計算，因此直接使用RBe2耦合方法計算量明顯小于實體預緊方案
3、Rbe2+CBeam/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 基于Nastran的能量有限元方法（EFEA）介紹
對于2D單元，EFEA支持CQUAD4 (4-node) 、CTRIA3 (3-node) 單元。對于1D單元，支持CBAR、CBEAM單元。這里我們用一個帶內部聲場的簡單圓柱結構介紹如何使用EFEA軟件，建立EFEA模型的基本步驟如下：
1、采用前處理軟件建立合適的有限元模型
這里可以采用任意的有限元建模軟件如patran、hypermesh等。這里要說明的是，單元網格可以足夠粗，只要和幾何特征匹配即可。建模完成后，導出為MSC.NASTRAN的短格式文件，記住要做equivalence處理。文件中包含了單元節點信息，材料屬性信息。在這個例子中，同時包含了結構單元和聲單元，記住，兩種介質接觸部分的單元需要匹配，并用不同ID的重復節點來匹配。圖 1是圓柱結構單元，圖 2是內部聲單元，結構單元和聲單元在接觸面處需要匹配，也就是說擁有相同位置坐標，但節點ID不同。與之不同的是，當結構單元和1D梁單元匹配時，則不需要這種操作。
圖 1 結構單元
圖 2 聲單元
2、運行能量有限元前處理器Pre-EFEA
運行能量有限元前處理器需要兩種輸入文件：步驟1 的有限元文件和軟件自帶的“data.inp” 文件。“data.inp” 文件展示如圖 3所示。
圖 3 “data.inp” 文件
“data.inp” 文件代碼 FILE example1.dat 是定義輸出文件名叫example1.dat，ANGLE 10.0 是定義板與板連接的判定角度為10°，DIST 0.001 是定義板與聲連接的判定距離為0.001。
展開 
認識網格4 | 選擇合適的網格密度(梁_靜剛度)
梁
日常生活中有大量的結構是基于桿梁體系建造的，小到晾衣架、板凳，大到房屋、橋梁，對于有限元分析來說，雖然理論上都可以使用實體單元進行計算，但是一旦模型規模龐大，我們還是不得不使用梁單元對這類結構進行簡化。
那么對于使用梁單元搭建的模型，多大的網格密度才能捕捉到結構的靜剛度呢？本文主要遵循由簡到繁的思路，通過案例對比的方式，和大家一起探討下其中的問題。
需要重點強調的是：本文案例使用的求解器為HyperWorks的結構分析優化求解器OptiStruct，單元類型為cbeam，對應的分析問題為靜剛度問題，對于不同求解器中的梁單元，可能由于單元性質的不同得到不一樣的結論，比如筆者試過使用ANSYS的beam188計算得到的部分結論與本文并不一致。
靜剛度
一般結構分析的目的是為了得到結構的剛度和強度信息，每種根據對應的工況類型又有靜力和動力之分，其中靜剛度是最為基本也是最為重要的分析內容，所以文章選擇以此為切入點展開探討。
如圖所示懸臂梁，梁長10mm，截面0.2*0.2mm，分別計算結構在集中力0.01N，彎矩0.1Nmm，均布力0.001N/mm作用下的端部撓度，下面是統計結果：
可能有些小伙伴會對上面的計算結果有所疑惑，因此這里將劃分1份網格和劃分16份網格的變形結果放在一起進行對比：
通表格對比數據和變形圖示可以得到兩個重要結論：
①1根梁單元已經可以比較好的表達自身在集中力，集中力矩，均布力作用下的彎曲剛度。通過上述變形圖可以看出，劃分1份網格和劃分16份網格，梁端部的變形是一致的。
②1根梁單元不足以表達復雜的變形量。
展開 CAE前處理 | 框架模型 | 屬性賦予
需要注意的是：①1D單元種類較多，本文僅以其中最為常見的cbeam單元進行描述 ②正常模型屬性有材料屬性以及單元屬性，本文主要對單元屬性進行闡述 ③文章內容基于HyperMesh平臺，OptiStruct求解器
如圖所示，正常梁單元由主骨架+虛擬截面構成，而梁單元的屬性主要包含截面形狀，截面方向，截面偏置以及自由度釋放。
簡單來說，截面形狀描述了梁單元截面的形狀及尺寸，截面方向指定了從截面坐標系→單元坐標系的轉換，截面偏置表達了截面偏離剪切中心的距離，自由度釋放定義了梁單元端部節點不進行傳遞的內力。上述各個部分在HyperMesh中的1D→bars→update中可以便捷的賦予：
02 截面形狀
庫截面
結構求解器一般都帶有自己截面庫，也就是我們常說的標準截面類型，如圖為OptiStruct截面庫支持的標準截面，這類標準截面的創建需要使用Hyper Mesh中的截面創建工具HyperBeam：
創建好截面之后，退出HyperBeam可以在模型樹中找到剛剛創建的截面屬性，并且能直接對尺寸進行編輯：
自定義截面
當然很多時候，除了標準截面之外還經常遇到各種異形截面。正常來說個人建議通過截面數據轉換到具有等效性質的標準截面，這樣后處理以及求解器之間的傳遞會更加容易，但是畢竟等效會因人而異并且帶來一定誤差，因此有時候還是需要創建自定義截面。
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
有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列41： 自主CAE開發實戰經驗第四階段總結
因此我們軟件中增加了Nastran的部分算法，使得一般工程算例和Nastran的誤差控制在1%內，主要包括：
（1）增加Nastran的CBEAM梁單元的算法
（2）增加Nastran的CQUAD殼單元的算法
（3）增加Nastran其它細節方面的算法
有興趣可以查看下面文章：
第三十七篇：梁單元差異（1）-理論基礎
https://jishulink.com/content/post/1872208
第三十八篇：梁單元差異（2）-梁截面方向
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1874628
第三十九篇：梁單元差異（3）-剪力和彎矩
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1876013
第四十篇：梁單元差異（4）-形心、剪心和偏置
https://www.yqgqt.org.cn/post/1888000
3.4 第四件事：細節功能完善
用戶在實際使用中，必然會涉及細節功能的修改，在此僅列出這個階段部分細節功能完善：
序號
其它功能描述
1. 分析類型
（1） 支持桿的線性瞬態動力學
（2） 支持桿的幾何非線性瞬態動力學
（3） 瞬態動力學加入力的人工阻尼
（4） 增加聲學邊界單元處理
（5） 支持聲學有限元模態分析，包括一次、二次六面體，一次、二次四面體單元
（6） 支持聲學有限元諧響應分析
（7） 支持慣性釋放Inertia Relief功能
2.
展開 