BEAM44.docx

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BEAM44

BEAM44

3-D弹性变截面（Tapered）非对称梁

BEAM44ElementDescription

BEAM44是一种具有承受拉、压、扭转和弯曲能力的单轴梁。

单元每个节点有6个自由度：

x、y、z方向的平移和x、y、z轴向的转动。

这个单元允许具有不对称的端面结构，并且允许端面节点偏离截面形心位置。

如果你并不需要这些特性那么可以选用均质对称的BEAM4单元。

同时也可以选用同类型2D单元（BEAM54）。

对于非线性材料，使用BEAM188和BEAM189来代替BEAM44。

对于剪切变形的作用是可选的。

例外一个可选是可显示在单元坐标系下，力作用单元上。

同时包括应力强化和大变形的特性。

可以查阅《ANSYS理论手册》得到关于本单元更详细的说明。

BEAM44可以使用SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET,SECWRITE,andSECREAD命令来建立任何形状的横截面。

但是只有当没有定义实常数时，上面的定义截面的命令才有效。

图44.1BEAM44几何模型

BEAM44输入数据

单元的几何模型、节点位置和坐标系如图44.1所示。

单元由参考坐标（x',y',z'）和偏移量来定位。

这个参考坐标由I、J和K节点或方向角来定义，如图44.1所示。

梁的主轴为单元坐标系（x,y,z）中沿X方向，并经过横截面中心（C.G.）。

单元的X轴的方向是指从I节点（end1）到J节点（end2）。

如果只给了两个节点参数，默认（θ=0°）那单元Y轴的方向自动确定为平行于系统坐标系下的X－Y平面。

有关示例见上图。

当单元坐标的X轴平行于整体坐标系下的Z轴（包括0.01%的偏差在内），单元Y轴的方向是平行于总体坐标系下的Y轴。

用户可以通过给定θ角或定义第三个节点的方法来控制单元的方向。

如果前面的两个参数同时给定时，则以给定第三点的控制为准。

第三点一经给出就意味着定义了一个由I，J，K三点定义的平面且该平面包含了单元坐标的X与Z轴。

当本单元用于大变形分析时，那么给定的第三节点（K）或旋转角（θ）仅用来确定单元的初始状态。

（有关方向节点及单元划分的详细信息参见《实体单元分网》及《ansys建模与分网指南》。

K节点的只能生成可以查看LMESH和LATT命令描述。

用实常数来描述梁的横截面，需要定义面积、面积惯性矩、端点到形心的距离，形心的偏移，和剪切系数。

IZ和IY两个惯性矩是在单元主轴的侧面。

截面1（IX1）的扭转惯性矩如果没有特别说明，那其值就默认为在截面1的极惯性矩（IZ1+IY1）。

截面2的转动惯性矩（IX2,IY2和IZ2），如果空白，就默认为对应截面1的值。

单元的扭转刚度随着IX的值而减小。

偏移量常数（DX,DY,DZ）由截面中心位置相对节点位置来定义。

沿着单元坐标系正向的位置为正。

所有截面2处实常数（除了中心偏移实常数DX,DY,和DZ）如果为0，则都默认为其对应截面1处的值。

截面1节点的上层厚度（the"bottom"thicknesses），TKZT1和TKYT1，分别默认为截面1节点的下层厚度（the"bottom"thicknesses），TKZB1andTKYB1。

截面2节点的上层厚度（the"bottom"thicknesses），TKZT2和TKYT2，也分别默认为截面2节点的下层厚度（the"bottom"thicknesses），TKZB2andTKYB2。

上层厚度为顶点到截面中心的距离，下层厚度为底点到截面中心的距离。

剪切变形系数（SHEARZ和SHEARY）只有在考虑剪切变形时才使用。

某个方向上剪切系数为0，一般用在忽略该方向上的剪切变形。

查看剪切变形细节。

如果没有实常数定义，使用SECTYPE和SECDATA命令来分别定义横截面（细节查看《ANSYS结构分析指南》中的梁分析和横截面）。

注意使用SECTYPE和SECDATA命令建立的截面可以在同一个模型中被BEAM44,BEAM188,和BEAM189中的任何组合使用。

截面与单元用截面号（SECNUM）来关联，截面号是独立的单元属性。

KEYOPT

（2）允许缩减质量矩阵（reducedmassmatrix）表达（删除转动方向的自由度）。

这个选项有助于改善在分析细长杆在质量荷载（massloading）下计算得到弯曲应力结果。

KEYOPT（7）和KEYOPT（8）允许在单元坐标系上节点上的单元节点约束释放。

在做自由运动时，节点约束则不能释放，同时将会有pivot警告和错误信息。

同时，应力刚度矩阵的平移自由度上不能进行节点约束释放。

作用在节点约束释放方向上的荷载将被忽略。

对于大变形，注意到单元的节点约束释放是沿着单元的方向，但是在节点耦合处不释放。

在没有节点约束释放的模型中添加柔性（低弹性模量）梁单元有助于提高解的稳定性。

剪切面积（ARES__）和扭转应力系数（TSF_）在非零时，将起作用。

剪切面积仅仅是为了计算剪切应力，一般小于实际横截面的面积。

扭惯性矩乘上扭转应力系数可计算得到扭转剪切应力。

扭转剪切系数一般可在结构手册上查到。

对于圆截面，TSF=直径/（2*IX）。

对于有些梁的截面，剪切中心可以与形心不重合。

非零的剪切中间偏移（DSC__）应该按图44.1“梁几何模型”所示的输入。

剪切中心偏移以形心沿单元坐标系正向为正。

截面2节点的偏移值如果为0，则默认为截面1节点的数值。

如图44.2“梁的应力输出”所示，如果从Y1到Z4的常数给定，梁每端可以输出给定点4个点的附加应力。

弹性基础刚度（EFS_）是基础产生单位法向变形所需的压力。

当EFS_为0时，可以忽略这个性能。

单元的初始应变（ISTRN）通过Δ/L给定，这里的Δ是单元长度L（由节点I和J的坐标所决定）与零应变时的长度之差。

参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。

“节点与单元荷载”一节对“单元荷载”有专门介绍。

可以在本单元的表面施加面荷载，如上图中带圈数字所示，其中箭头指向为面荷载作用正向。

横向均布压力的单位为力每单位长度，端点作用的压力应以集中力的形式输入。

KEYOPT（10）用来控制线性变化的横向压力相对单元节点的偏移量。

可在单元几何图形的八个角上设定温度值，其被当作体荷载处理。

第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF，如其它角的温度未给定时其默认值等于第一个角的温度，如给定了T1和T2则T3的默认值为T2，T4的默认值为T1；T5到T8的值默认与T1到T4的值相对应。

对于其他输入方法，没有定义温度，则都默认TUNIF。

KEYOPT（9）用来控制两节点中间部分相关值的输出情况，值是按平衡条件得出的。

但在下列情况下这些值不能得到：

●考虑应力硬化时［SSTIF，ON］；

●一个以上的部件作用有角速度时［OMEGA]；

●通过命令CGOMGA,DOMEGA,orDCG/MG作用了角速度或加速度时。

概要的单元输入在“BEAM44输入概要”中有介绍。

单元输入的一般描述在“单元输入”中有介绍。

BEAM44输入概要

节点I,J,K（K方向节点可选）

自由度UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ

实常数

AREA1,IZ1,IY1,TKZB1,TKYB1,IX1,

AREA2,IZ2,IY2,TKZB2,TKYB2,IX2,

DX1,DY1,DZ1,DX2,DY2,DZ2,

SHEARZ,SHEARY,TKZT1,TKYT1,TKZT2,TKYT2,

ARESZ1,ARESY1,ARESZ2,ARESY2,TSF1,TSF2,

DSCZ1,DSCY1,DSCZ2,DSCY2,EFSZ,EFSY,

Y1,Z1,Y2,Z2,Y3,Z3,

Y4,Z4,Y1,Z1,Y2,Z2,

Y3,Z3,Y4,Z4,THETA,ISTRN,

ADDMAS

查阅Table44.1:

"BEAM44RealConstants"获得实常数的描述

材料属性EX,ALPX（orCTEXorTHSX）,DENS,GXY,DAMP

面荷载

压力--

face1（I-J）（-Znormaldirection）

face2（I-J）（-Ynormaldirection）

face3（I-J）（+Xtangentialdirection）

face4（I）（+Xaxialdirection）

face5（J）（-Xaxialdirection）

（负值表示反方向面荷载）

体力

温度--

T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8

特性

应力强化

大变形

单元生死

KEYOPT

（2）集总质量矩阵:

0--协调

1--缩减

KEYOPT（6）输出力和力矩:

0--没有力的输出

1--输出在单元坐标系下的力和力矩

KEYOPT（7）I节点约束释放:

1--单元Z轴约束释放

10--单元Y轴约束释放

100--单元X轴约束释放

1000--单元Z方向约束释放

10000--单元Y方向约束释放

100000--单元X方向约束释放

为了组合这些约束释放,可以输入这些数字的和（例如输入11表示Z轴和Y轴转动）.

KEYOPT（8）与KEYOPT（7）相同只表示在J节点:

KEYOPT（9）控制单元节点间计算点的输出情况

N--输出计算点数（N＝0,1，3,5，7,9）

KEYOPT（10）用于控制用SFBEAM指令输入荷载偏移量的输入方法:

0--以长度为单位，直接输入压力相对于I，J节点的偏移量

1--以偏移量与单元长度的比值为单位（0～1），用相对值形式输入偏移

注意：

SHEARZ与IZ相关.如果SHEARZ=0.0,表示在Y方向上没有剪切变形.

SHEARY与IY相关.如果SHEARY=0.0,表示在Z方向上没有剪切变形

表44.1BEAM44实常数

序号

名称

描述

1

AREA1

截面1的面积

2,3

IZ1,IY1

截面1惯性矩

4,5

TKZB1,TKYB1

截面1的Z方向和Y方向的下层厚度

6

IX1

截面1扭转惯性矩

7

AREA2

截面2的面积

8,9

IZ2,IY2

截面2惯性矩

10,11

TKZB2,TKYB2

截面2的Z方向和Y方向的下层厚度

12

IX2

截面1扭转惯性矩

13,14,15

DX1,DY1,DZ1

截面1的X,Y,andZ方向的形心偏移量

16,17,18

DX2,DY2,DZ2

截面2的X,Y,andZ方向的形心偏移量

19,20

SHEARZ,SHEARY

Z方向和Y方向上的剪切变形系数

21,22

TKZT1,TKYT1

截面1的Z方向和Y方向的上层厚度

23,24

TKZT2,TKYT2

截面2的Z方向和Y方向的上层厚度

25,26

ARESZ1,ARESY1

截面1上Z方向和Y方向的剪切面积

27,28

ARESZ2,ARESY2

截面2上Z方向和Y方向的剪切面积

29.30

TSF1,TSF2

每个截面的扭转应力系数

31,32

DSCZ1,DSCY1

截面1的剪切中心偏移量

33,34

DSCZ2,DSCY2

截面2的剪切中心偏移量

35,36

EFSZ,EFSY

基础刚度

37,38

Y1,Z1

截面1附加应力输出坐标值系列1

39,40

Y2,Z2

截面1附加应力输出坐标值系列2

41,42

Y3,Z3

截面1附加应力输出坐标值系列3

43,44

Y4,Z4

截面1附加应力输出坐标值系列4

45,46

Y1,Z1

截面2附加应力输出坐标值系列1

47,48

Y2,Z2

截面2附加应力输出坐标值系列2

49,50

Y3,Z3

截面2附加应力输出坐标值系列3

51,52

Y4,Z4（atendJ）

截面2附加应力输出坐标值系列4

53

THETA

X轴角度

54

ISTRN

初始应变

55

ADDMAS

附加质量/单位长度

BEAM44输出数据

单元的求解结果总体为以下两部分：

●全部节点解包括节点位移解；

●单元解，细则见“BEAM4单元输出数据一览表”

图44.2“BEAM44应力输出”已经图示了几种情况。

在每个截面计算结果包括轴向应力和4个弯曲应力。

这是5个应力值组合起来以矩形截面形式得到最大和最小应力。

如果从Y1到Z4的实数给定，在任何点的组合应力也可以计算得到，如果图44.2“BEAM44应力输出”所示。

对于KEYOPT（6）=1的单元，12个弯距和轴力（每边6个）也可以输出（在单元坐标系上）。

单元的X轴通过截面的重心。

如果实常数25～30（ARES__,TSF_）给定，平均剪切应力和扭转应力也可以输出。

如果他们都为0，剪切应力和扭转应力的输入将无效。

如果设置了KEYOPT（9），还可以输出2个端点之间的点的值。

有关求解输出的总体性介绍请见“SolutionOutput”，而有关结果内容察看的一些方法见“ANSYSBasicAnalysisGuide”

注意：

如果输入/ESHAPE,1，3D显示的BEAM44单元只仅限在ANSYS前处理器中，后处理器将无法显示3D效果。

图44.2BEAM44应力输出

单位输出定义表使用下面符号：

在name列的冒号表示该项目可以通过构成名字的方法来获得[ETABLE,ESOL]。

第0列表示该项有效的说明在文件Jobname.OUT中。

R列表示该项的结果显示在results文件中。

无论在0还是R列中，Y表示该项一直是可用的。

数值表示描述哪里该项是选择性提供的脚注，－表示该项不提供

名称

定义

O

R

EL

单元号

Y

Y

NODES

节点-I,J

Y

Y

MAT

材料号

Y

Y

VOLU:

体积

-

Y

XC,YC,ZC

输出结果坐标

Y

5

TEMP

温度T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8

Y

Y

PRES

压力P1atnodesI,J;偏移量1atI,J;压力P2atI,J;偏移量2atI,J;压力P3atI,J;偏移量3atI,J;压力P4atI;压力P5atJ

Y

Y

SDIR

轴向正应力

1

1

SBYT

梁内单元+Y面上的弯曲应力

1

1

SBYB

梁内单元-Y面上的弯曲应力

1

1

SBZT

梁内单元+Z面上的弯曲应力

1

1

SBZB

梁内单元-Z面上的弯曲应力

1

1

SMAX

最大应力（正应力+弯曲应力）

1

1

SMIN

最小应力（正应力-弯曲应力）

1

1

EPELDIR

端部轴向弹性应变

1

1

EPELBYT

梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

1

1

EPELBYB

梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

1

1

EPELBZT

梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变

1

1

EPELBZB

梁内单元-Z面上的弯曲弹性应变

1

1

EPTHDIR

端点轴向热应变

1

1

EPTHBYT

梁内单元+Y面上的弯曲热应变

1

1

EPTHBYB

梁内单元-Y面上的弯曲热应变

1

1

EPTHBZT

梁内单元+Z面上的弯曲热应变

1

1

EPTHBZB

梁内单元-Z面上的弯曲热应变

1

1

EPINAXL

单元初始轴向应变

1

1

S（XY,XZ,YZ）

平均剪切Y方向,平均剪切Z方向,扭转应力

2

2

S（AXL1,AXL2,AXL3,AXL4）

定义点的组合应力

3

3

MFOR（X,Y,Z）

元坐标系中X，Y，Z方向的力

4

Y

MMOM（X,Y,Z）

单元坐标系中X，Y，Z方向的弯矩

4

Y

表44.2BEAM44单元输出定义

1这些项目在I截面重复,中间计算点（查看KEYOPT（9））,和J截面

2只在实常数25-30给定时输出

3只在实常数37-52给定时输出

4如果KEYOPT（6）=1

5在中心点使用*GET命令.

Table44.3:

"BEAM44ItemandSequenceNumbers（KEYOPT（9）=0）"通过ETABLE命令使用序列号列表输出.查看TheGeneralPostprocessor（POST1）intheANSYSBasicAnalysisGuideandTheItemandSequenceNumberTable得到更多信息.下面符号使用在Table44.3:

"BEAM44ItemandSequenceNumbers（KEYOPT（9）=0）":

Name输出数量的定义在Table44.2:

"BEAM44ElementOutputDefinitions"

Itemetable提前定义的项目标签

E单值或实常数的序号

I,J节点数据的序号

ILn节点间计算点n的序号

SPnn计算点的计算项目

表44.3BEAM44项目和序号（KEYOPT（9）=0）

输出项目名称

ETABLEandESOL命令输入

Item

E

I

J

SDIR轴向直接应力

LS

-

1

6

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

EPELDIR端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

7

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

8

EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

4

9

EPELBZB梁内单元－Z面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

5

10

EPTHDIR端点轴向热应变

LEPTH

-

1

6

EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

7

EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

8

EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

4

9

EPTHBZB梁内单元－Z面上的弯曲热应变

LEPTH

-

5

10

EPINAXL单元初始轴向应变

LEPTH

11

-

-

SMAX最大应力（正应力+弯曲应力）

NMISC

-

1

3

SMIN最小应力（正应力-弯曲应力）

NMISC

-

2

4

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

MFORZ单元坐标系中Z方向的力

SMISC

-

3

9

MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩

SMISC

-

4

10

MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

SMISC

-

5

11

MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

SXY剪应力（Y向）

SMISC

-

13

16

SXZ剪应力（Z向）

SMISC

-

14

17

SYZ剪应力（扭转）

SMISC

-

15

18

P1P1　压力1在节点I,J间

SMISC

-

27

28

OFFST1OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

29

30

P2P2　压力2在节点I,J间

SMISC

-

31

32

OFFST2OFFST2压力2距节点偏移量

SMISC

-

33

34

P3P3　压力3在节点I,J间

SMISC

-

35

36

OFFST3OFFST3压力3距节点偏移量

SMISC

-

37

38

P4压力4

SMISC

-

39

P5压力5

SMISC

-

40

SAXL（SP1）1点的组合应力

SMISC

-

19

23

SAXL（SP2）2点的组合应力

SMISC

-

20

24

SAXL（SP3）3点的组合应力

SMISC

-

21

25

SAXL（SP4）4点的组合应力

SMISC

-

22

26

CornerLocation

1

2

3

4

5

6

7

8

温度

LBFE

1

2

3

4

5

6

7

8

表44.4BEAM44项目和序号（KEYOPT（9）=1）

输出姓名名称

ETABLEandESOL命令输入

Item

E

I

IL1

J

SDIR轴向直接应力

LS

-

1

6

11

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

7

12

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

8

13

SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

LS

-

4

9

14

SBZB梁内单元－Z面上的弯曲应力

LS

-

5

10

15

EPELDIR端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

6

11