第七章 ansys梁单元分析和横截面形状

第七章梁分析和横截面形状梁的概况梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型。

与实体单元和壳单元相比，梁单元可以效率更高的求解。

两种新的有限元应变单元，BEAM188和BEAM189，提供了更强大的非线性分析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性。

参阅ANSYS Elements Reference中关于BEAM188和BEAM189的描述。

何为横截面？横截面定义为垂直于梁的轴向的截面形状。

ANSYS提供了有11种常用截面形状的梁横截面库，并支持用户自定义截面形状。

当定义了一个横截面时，ANSYS 建立一个9结点的数值模型来确定梁的截面特性（lyy,lzz等），并求解泊松方程得到弯曲特征。

下图是一个标准的Z横截面，示出了截面的质心和剪切中心以及计算的横截面特性：图8-1 Z向横截面图横截面和用户自定义截面网格划分将存储在横截面库文件中。

可以用LATT 命令将梁横截面属性赋给线实体。

这样，横截面的特性将在用BEAM188或BEAM189对该线划分网格时包含进去。

如何生成横截面用下列步骤生成横截面：1．定义截面并与代表相应截面形状的截面号关联。

2．定义截面的几何特性数值。

ANSYS中提供了下表列出的命令完成生成、查看、列表横截面和操作横截面库的功能：参阅ANSYS Commands Reference可以得到横截面命令的完整集合。

定义截面并与截面号关联使用SECTYPE命令定义截面。

下面的命令将截面号2与定义号的横截面形状（圆柱体）关联：命令：SECTYPE,2,BEAM,CSOLIDSECDATA,5,8SECNUM,2GUI: Main Menu>Preprocessor>Settings>-Beam-Common SectsMain Menu>Preprocessor>-Attributes-Define>Default Attribs要定义自己的横截面，使用子形状（ANSYS提供的形状集合）MESH。

a n s y s_变截面梁1、选择菜单“Utility Menu>File>Change Title”。

2、输入“Lateral Torsional Buckling Analysis”并单击OK。

3、定义关键点。

选择“Main Menu>Preprocessor> -Modeling- Create>Keypoints> In Active CS”，输入下表所示的关键点号和坐标：4、在关键点1和2之间建立直线。

选择Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Lines-Lines>Straight Line，出现“Create Straight Line picker”窗口，在图形窗口中拾取关键点1和2，然后按“OK”。

5、保存模型。

选择Utility Menu>File>Save As。

将文件名存为“buckle.DB”，并单击OK。

7.6.6 定义单元类型和横截面信息1、选择“Main Menu>Preferences”，单击“Structural”检查框。

按“OK”。

2、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”。

出现“Element Types”对话框。

3、单击“Add...”。

出现“Library of Element Types ”对话框。

4、在左列选择“Structural Beam”。

5、在右列选择“3D finite strain, 3 node 189”以选中 BEAM189。

7、定义梁的矩形截面。

选择“Main Menu>Preprocessor>Sections>-Beam-Common Sects”。

出现“BeamTool ”对话框。

缺省时 ANSYS 将截面号设置为1，将子类型设置为 RECT (在子类型处图示一个矩形)。

4.2 梁单元静力学分析当结构长度对横截面的比率超过10:1，沿长度方向的应力为主要分析对象，且横截面始终保持不变时，即应用梁单元。

梁单元可用于分析主要受侧向或横向载荷的结构，如建筑桁架、桥梁、螺栓等。

在WB中默认为铁摩辛柯（Timoshenko）梁单元，即Beam188和Beam189，可计算弯曲、轴向、扭转和横向剪切变形。

其中Beam188采用线性多项式作为形函数，Beam189采用二次多项式作为形函数，当WB的Mesh设置中Mesh-Element Midside Nodes为Dropped 时，即为Beam188；Mesh-Element Midside Nodes为Kept时，即为Beam189。

有限元对单元特性的描述包括单元形状、节点数目、自由度和形函数。

表4-2-1为Beam 单元的对比。

在WB中默认设置为二次单元。

一般来说，线性单元需要更多的网格数才能达到二次单元的精度。

选用二次单元可提高计算精度，这是因为二次单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且二次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。

但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，计算内存消耗也多，因此，在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

表4-2-1 Beam单元对比4.2.1 梁模型有限元计算用ProE建立一桁架模型，导入WB进行分析计算。

（1）ProE建模。

在草绘界面绘制一边长为30mm、40mm、50mm的三角形，然后选择投影命令将草绘图形投影到基准面上，另存为x_t文件（其他3D软件操作方法类似）。

（2）导入模型。

如图4-2-1所示，在Import设置中，Operation设为Add Frozen，Line Bodies 设为Yes。

– 65 –– 66 – 图4-2-1 Import ProE模型文件设置（3）梁截面赋值，并定义截面方向，最后用Form New Part将三根梁合并为一个部件，如图4-2-2所示。

AnsysWorkbench工程实例之——梁单元静力学分析本文可能是您能在网络上搜索到的关于Ansys Workbench梁单元介绍最详细全面的文章之一。

梁单元常用于简化长宽比超过10的梁与杆模型，比如建筑桁架、桥梁、螺栓、杠杆等。

Workbench中的梁单元有Beam188（默认）与Beam189两种，Beam188无中节点，Beam189有中节点。

在全局网格设置下，梁单元的中节点设置Element MIdside Nodes默认为dropped(无中节点），即默认使用Beam188单元，如果改为kept(有中节点)，则将改变为Beam189单元。

类型单元形状中节点自由度形函数Beam188 3D梁无 6 线性Beam189 3D梁有 6 二次Beam188Beam1891 梁单元分析概要1.1 建模与模型导入线框模型可在DM中创建，也可导入stp/igs等模型。

以下分别介绍通过DM创建与通过CAD软件创建导入过程。

1.1.1 梁线体的创建方法1，简单的线体模型可以在DM中创建，一般在XY平面绘制草图或点，再通过Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等创建。

区别在于Lines From Sketches是提取草图所有的线条，如果线条是相连接的，提取的结果为一个线几何体。

Lines From Points或3D Curve用于将草图的点（可以是草图线条的端点）连接成为线体，结合Add Frozen选项，可以创建多个线几何体。

操作3次后多个线条可以通过From New Part功能组合为一个几何体，组合后两条线共节点，相当于焊接在一起。

选中后右击方法2，通过CAD软件创建后导入。

如果读者使用的是creo建模，可在草图中创建点，退出草图后选择基准——曲线——通过点的曲线。

操作3次后输出时需要注意，可另存为stp或igs格式，在输出对话框中必须勾选基准曲线和点选项。

举例分析ANSYS中梁截面的自定义方法ANSYS中自定义梁截面分析的一个例子2007-11-07 11:33:11| 分类：ANSYS学习|举报|字号订阅关于梁分析的一个例子。

首先是建立截面形式。

为了后面调试中清楚地看到方向关键点的影响，所以截面采用矩形截面。

调试的结果表明：截面的关键点是确定中性轴围绕梁纵轴转动的定位（或者说，无论怎么取方向关键点，截面的法线永远与梁的纵轴线平行，）如果大家为了测试这一点，可以采用与梁纵轴线垂直的面内的若干个关键点实验一下。

如果两个关键点造成截面取向不同，则梁沿纵轴发生扭曲。

前一个方向关键点控制的是梁的起点的方向，后一个则是终点。

而梁的起点则是你在定义梁轴线时候，位于前面的那个关键点。

在本程序中，也就是关键点5。

如果你把其改成l,6,5，则你会发现梁的扭曲方向变化了！finish/clear,nostart/prep7et,1,82 !注意划分截面单元需要用PLANE82单元。

此处千万别用梁单元mp,prxy,1,1/3 !定义泊桑比mp,ex,1,2.07e11 !定义弹性模量k,1,0,0k,2,400,0k,3,400,40k,4,0,40a,1,2,3,4!lsel,all!lesize,all,0,,4!smrtsize,5!其实上面这三条命令这样划分网格也可以，但是没有下面的方法好。

下面更好控制网格质量。

asel,all !选择所有的面esize,,5 !确定划分网格的大小，每边划成5份。

如果你愿意，也可以改变网格数量。

amesh,all !给截面划分网格secwrite,jm2,sect,,1 !将截面命名为jm2.sect写入当前工作目录中去。

!下面开始建立梁中轴线。

注意截面保存后，生成的关键点、面、线等都已经不存在，所以即使不重新开始，!编号也是重新开始。

但是我还是重新开始，清空了内存数据。

finish/clear,nostart/prep7et,1,188 !定义梁单元，该单元必须是支持采用自定义截面的单元类型。

（整理）ansys简支梁分析.图b所示的矩形截面的简支梁，受到竖直向下的2q 均布载荷作用。

100mKN图b 梁受力情况及截面尺寸表1 梁的几何参数及材料参数（三）研究方法及模型的建立（包括单元的选取，边界条件的简化等）。

1.梁单元⑴建模：由于对称性，取梁的右半部分为研究对象。

①选择梁单元，设置材料常数定义梁的横截面面积、惯性矩及截面高度。

②建立2个关键点：1（0，0，0）；2（8，0，0）。

③生成直线：ANSYS Main Menu>Preprocessor>Modeling>Lines>Lines>Stright Line，依次连接关键点，点击ok即可。

④划分单元：ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Lines>Picked Lines，选择直线，将梁划分为80份；ANSYS Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool>Shape>Mech>pickall，完成划分。

⑤施加约束：ANSYS Main Menu>Solution>Difine Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，选取对称轴上的节点，施加x方向的约束；选取右下角的节点施加y方向约束。

⑥施加载荷：ANSYS Main Menu>Solution>Difine Loads>Apply>Pressure>On Beams>Pick All，V ALI Pressure Value at I输入100000，V ALJ Pressure Value at J输入100000，即施加了均布载荷。

建好的模型如图1.1所示。

ansys杆、梁和管单元讲解（1）杆单元，适用于弹簧、螺杆、预应力螺杆和薄膜桁架等，常用的杆单元有LINK8/LINK11/LINK180.LINK180：三维杆单元，根据各种情况可以看作桁架单元、索单元、链杆单元或弹簧单元等，本单元是一个轴向拉伸---压缩单元，每个节点有三个自由度：节点坐标系的X、Y、Z方向的平动。

本单元是一种顶端铰链结构，不考虑单元弯曲。

本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形和大应变功能。

当考虑大变形时（NLGEOM，ON）任何分析中LINK180单元都包括应力刚化选项。

本单元支持弹性、各向同性强化塑性、随动强化塑性、Hill各向异性强化、Chaboche 非线性强化塑性和蠕变。

LINK10与之类似仅压缩或仅拉伸。

输入参数：节点：I,J 自由度：UX、UY、UZ 实常数：AREA为面积，ADDMAS质量，TENSKEY 拉压选项，0为可以受拉压，1为只受拉，-1为只受压。

材料属性：EX，（PRXY或NUXY），ALPX（CTEX或THSX），DENS，GXY，ALPD，BETD 面载荷：无体载荷：温度T(I)、T（J）特殊属性：单元生死、初始状态、大挠度、大应变、线性扰动、非线性稳定、塑性、应力刚化、用户自定义材料、粘弹性、粘弹性/蠕变、（2）梁单元，用于螺栓（杆）、薄壁管件，C形截面构建，角钢或狭长薄膜构建（只有膜应力和弯应力）梁单元有弹性梁、塑性梁、渐变不对称梁、薄壁梁等，此处介绍BEAM188BEAM188：三维线性有限应变梁单元，适用于分析从细长到中等短粗的梁结构，基于铁木辛哥梁结构理论，考虑了剪切变形的影响。

BEAM188是三维线性（2节点）或者二次梁单元。

每个节点有6或者7个自由度，自由度的个数取决与KEYOPT(1)=0（默认）,每个节点有6个自由度，即节点坐标系的X,Y,Z方向的平动和绕X,Y,Z轴的转动，当KEYOPT(1)=1时，7个自由度，引入横截面的翘曲。

ANSYS中提供的杆单元简介LINK1 二维杆单元，应用于平面桁架，杆件，弹簧等结构，承受轴向的拉力和压力，不考虑弯矩，每个节点具有X和Y位移方向的两个自由度，单元不能承受弯矩，只用于铰链结构应力沿单元均匀分布。

具体应用时存在如下假设和限制：1．杆件假设为均质直杆，在其端点受轴向载荷。

2．杆长应大于0，即节点i,j不能重合3．杆件必须位于x-y平面且横截面积要大于04．温度沿杆长方向线性变化5．位移函数的设置使得杆件内部的应力为均匀分布6．初始应变也参与应力刚度矩阵的计算LINK8 三维杆单元，应用于空间桁架，是 LINK2的三维情况，用来模拟桁架，缆索，连杆，弹簧等，这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点有三个自由度，即沿节点坐标系x，y，z，方向的平动，就像在铰链结构中表现的一样，本单元不承受弯矩。

本单元具有塑性，蠕变，膨胀、应力刚化、大变形和大应变等功能。

具体应用时存在如下假设和限制：1.杆单元假定为直杆，轴向载荷作用在末端，自杆的一端至另一端均为统一属性2.杆长应大于0，即节点i,j不能重合3.横截面积要大于04.温度沿杆长方向线性变化5.位移函数暗含着在杆上有相同的应力6.即便是对于第一次累计迭代，初始应变也被用来计算应力刚度矩阵LINK10 三维仅受压或仅受拉杆单元，应用于悬索，它具有独一无二的双线性刚度矩阵特性，使用只受拉选项时，如果单元受压，刚度就消失，以此来模拟缆索的松弛或是链条的松弛，这一特性对于整个钢缆用一个单元来模拟的钢缆静力问题非常有用，当需要松弛单元的性能，而不关心松弛单元的运动时，他也可用于动力分析（带有惯性和阻尼效应）。

如果分析的目的是研究单元的运动（没有松弛单元），那那么应该使用类似于LINK10的不能松弛的单元，如LINK8或PIPE59。

对于最终收敛结果是紧绷状态的结构，如果迭代过程中可能出现松弛状态，那么这种静力收敛问题也不能使用LINK10单元。

而使用其他单元。

梁的截面和方向问题
自定义梁的截面形状如图
建立梁的模型如下：
全局显示梁的显示为：
由此可以看出，默认情况下梁规定的正方向为Z轴的正向！
关于2D/3D梁的说明:
1、单元坐标系X轴由节点i，j连线方向确定由i指向j；
对于两节点确定的beam单元，若方向角theta=0，则单元坐标系y轴默认平行于整体坐标系的x-y平面；
2、若单元坐标系x轴与整体坐标系z轴平行，则单元坐标系y轴默认平行整体坐标系的y轴，z轴由右手法则判定；
3、若用户希望自己来控制单元绕单元坐标系x轴的转动角，则可以通过方向角theta或第三个节点k来实现，i，j，k确定一个平面，单元坐标系的z轴就在该平面内。

把收集到得ANSYS单元类型向大家交流下。

Mass21是由6个自由度的点元素，x,y,z三个方向的线位移以及绕x,y,z轴的旋转位移。

每个自由度的质量和惯性矩分别定义。

Link1可用于各种工程应用中。

根据应用的不用，可以把此元素看成桁架，连杆，弹簧，等。

这个2维杆元素是一个单轴拉压元素，在每个节点都有两个自由度。

X,y,方向。

铰接，没有弯矩。

Link8可用于不同工程中的杆。

可用作模拟构架，下垂电缆，连杆，弹簧等。

3维杆元素是单轴拉压元素。

每个点有3个自由度。

X,y,z方向。

作为铰接结构，没有弯矩。

具有塑性，徐变，膨胀，应力强化和大变形的特性。

Link10 3维杆元素，具有双线性劲度矩阵的特性，单向轴拉（或压）元素。

对于单向轴拉，如果元素变成受压，则硬度就消失了。

此特性可用于静力钢缆中，当整个钢缆模拟成一个元素时。

当需要静力元素能力但静力元素又不是初始输入时，也可用于动力分析中。

该元素是shell41的线形式，keyopt(1)=2,’cloth’选项。

如果分析的目的是为了研究元素的运动，（没有静定元素），可用与其相似但不能松弛的元素（如link8和pipe59）代替。

当最终的结构是一个拉紧的结构的时候，Link10也不能用作静定集中分析中。

但是由于最终局于一点的结果松弛条件也是有可能的。

在这种情况下，要用其他的元素或在link10中使用‘显示动力’技术。

Link10每个节点有3个自由度，x,y,z方向。

在拉（或压）中都没有抗弯能力，但是可以通过在每个link10元素上叠加一个小面积的量元素来实现。

具有应力强化和大变形能力。

Link11用于模拟水压圆筒以及其他经受大旋转的结构。

此元素为单轴拉压元素，每个节点有3个自由度。

X,y,z方向。

没有弯扭荷载。

Link180可用于不同的工程中。

可用来模拟构架，连杆，弹簧，等。

此3维杆元素是单轴拉压元素，每个节点有3个自由度。

X,y,z方向。

作为胶接结构，不考虑弯矩。

梁单元的如何定义方向关键点问：
我使用beam189单元建模，要确定梁的放置方向，但是不知道怎么定义方向关键点，即不会确定单元坐标系z轴的方向，请求高手指点答：
例如：
先定义两个点：
k,1,0,0,0k,2,100,0,0定义第三个点为方向点：
k,1000,0,100,0定义直线：
l,1,2在mesh直线时，把方向点加上就行了latt,1,1,1, ,1000, ,1在梁单元内，截面和梁单元的单元坐标系的关系如图，适用于中所有的梁单元Ansys如图所示，单元坐标系的z轴指向梁的高度方向，用LATT对梁进行属性分配时，LATT,MAT,REAL,TYPE,--,KB,KE,SECNUM其中KB为该梁的单元坐标系的z方向。

如上图所示的梁截面，均以竖直向上为单元坐标系的z方向。

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ANSYS 单元类型的详细介绍ansys-单元类型的详细介绍ansys中单元类型介绍和单元的选择原则ansys中单元类型的挑选初学ansys的人，通常会被ansys所提供的众多纷繁复杂的单元类型弄花了眼，如何选择正确的单元类型，也是新手学习时很头疼的问题。

单元类型的挑选，跟你必须化解的问题本身密切相关。

在挑选单元类型前，首先你必须对问题本身存有非常明晰的重新认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点存有多少个自由度，它涵盖哪些特性，能在哪些条件下采用，在ansys的协助文档中都存有非常详尽的叙述，必须融合自己的问题，对照协助文档里面的单元叙述去挑选恰当的单元类型。

1.该选杆单元（link）还是梁单元(beam)？这个比较难认知。

杆单元就可以忍受沿着杆件方向的拉力或者压力，杆单元无法忍受弯矩，这就是杆单元的基本特点。

梁单元则既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。

如果你的结构中要承受弯矩，肯定不能选杆单元。

对于梁单元，常用的存有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别是：1)beam3就是2d的梁单元，就可以化解2维的问题。

2)beam4就是3d的梁单元，可以化解3维的空间梁问题。

3)beam188就是3d梁单元，可以根据须要自定义梁的横截面形状。

2.对于薄壁结构，就是挑选实体单元还是壳单元？对于薄壁结构，最好是选用shell单元，shell单元可以减少计算量，如果你非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。

而且，如果选实体单元，薄壁结构承受弯矩的时候，如果在厚度方向的单元层数太少，有时候计算结果误差比较大，反而不如shell单元计算准确。

实际工程中常用的shell单元存有shell63,shell93。

shell63就是四节点的shell 单元(可以发育为三角形)，shell93就是拎中间节点的四边形shell单元(可以发育为三角形),shell93单元由于具有中间节点，计算精度比shell63更高，但是由于节点数目比shell63多，排序量可以减小。