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Ansys单元详解——Beam3二维弹性单元特性

2012-10-31 14:22  by:设备设计培训  来源:广州有道有限元

Ansys单元详解——Beam3二维弹性单元特性


 

Beam3单元描述：

Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。本单元更详细的说明见《ANSYS, Inc. Theory Reference》，其它的二维梁单元还有塑性梁单元Beam23及非对称变截面梁Beam54。

Beam3单元几何图形：


Beam3输入数据：

上图给出了单元的几何图形、节点位置及坐标系统。单元由两个节点、横截面面积、横截面惯性矩、截面高度及材料属性定义。。初始应变通过Δ/L给定，Δ为单元长度L（由I，J节点坐标算得）与0应变单元长度之差。

如果不计环向作用本单元也可进行轴对称体的分析，如对螺栓、带缝圆柱等。在轴对称分析时输入的面积和惯性矩应是全截面的。剪切变形量（SHERAR）是可选的，如给SHERAR赋值为0则表示忽略剪切变形（相关细节见Shear Deflection），当然剪切模量（GXY）只有在考虑剪切变形时才起作用。单元还可在实常数ADDMAS中输入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四个角上设定温度值，其被当做体荷载处理。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。

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：

l 考虑应力硬化时TIF，ON］；

l 一个以上的部件作用有角速度时OMEGA]；

l 通过命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度时。

BEAM3输入参数汇总：

节点：I, J

自由度：UX, UY, ROTZ

实常数：

AREA – 横截面面积

IZZ – 截面惯性矩

HEIGHT – 截面高

SHEARZ – 剪切变形系数

ISTRN – 初始应变

ADDMAS – 每单位长度附加质量

说明：剪切变形系数＝0，则在单元的Y方向没有剪切变形。

材料属性：EX, ALPX, DENS, GXY, DAMP

表面荷载：

压力-（括号内为压力正值作用方向）

face 1 (I-J) (-Y法线方向)

face 2 (I-J) (+X切线方向)

face 3 (I) (+X 轴向)

face 4 (J) (-X 轴向)

（如输入的压力为负值表示与几何模型图中方向反向作用)

体荷载：

温度作用 -- T1, T2, T3, T4

特性：

应力强化

大变形

单元生、死

单元选项：

KEYOPT(6) 控制杆件力和力矩输出的选项:

0 -- 不输出力和力矩

1 -- 在单元坐标系中输出力和力矩

KEYOPT(9) 用于控制该单元位于节点I，J中间点的数据输出

N -- 输出N个中间位置数据(N = 0, 1, 3, 5, 7, 9)

KEYOPT(10) 用于控制SFBEAM指令时线性变化的压力的偏移量的输入方法：

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

BEAM3输出数据：

求解输出信息主要包括两部分：

l 节点位移含全部节点解

l 单元其它输出信息见“BEAM3单元输出信息表”

“BEAM3应力输出图”说明了一些情况，有关求解输出的总体性介绍请见“Solution Output”，而有关结果内容察看的一些方法见“ANSYS Basic Analysis Guide”

以下“单元输出信息表”中第一列给出了各输出项的名称，用命令ETABLE（POST1）及ESOL（POST26）可定义这些变量用于查询。第三列表示某一变量值是否在输出文件中给出，第四列某一变量值是否在结果文件中给出。

无论是第三还是第四列，“Y”表示可以输出，列中的具体数值则表示在满足特定条件时才输出，而“－”则表示不输出。

单元输出信息表

名称

定义

O

R

EL

单元号

Y

Y

NODES

单元节点- I, J

Y

Y

MAT

单元材料号

Y

Y

VOLU:

单元体积

N

Y

XC, YC

输出结果坐标

Y

3

TEMP

温度 T1, T2, T3, T4

Y

Y

PRES

压力 P1 at nodes I,J; 偏移量1 at I,J;P2 at I,J; 偏移量2 at I, J; P3 at I; P4 at J

Y

Y

SDIR

轴向直接应力

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

SMAX

最大应力(直接应力+弯曲应力)

1

1

SMIN

最小应力(直接应力-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

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

EPINAXL

单元初始轴向应变

1

1

MFOR(X, Y)

单元坐标系中X，Y方向的力

2

Y

MMOMZ

单元坐标系中Z方向的弯矩

2

Y

说明：

1、每个单元的节点I，J及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果；

2、如果KEYOPT(6) = 1；

3、仅在几何中心作*GET的一个项目可用。

“BEAM3项目和序号表”中列出了在后处理中可通过ETABLE命令加参数及数字序号的方法定义可列表察看的有关变量的细则。详细参见《ANSYS基本分析指南》中有关“The General Postprocessor (POST1)”和“The Item and Sequence Number Table”部分。下面是表格“BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）＝0）”到“BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）＝9）”的一些使用说明：

Name

指在“BEAM3单元输出信息表”中的有关变量。

Item

命令ETABLE中使用的参数。

E

单元数据为常数或单值时对应的序号。

I,J

节点I,J所对应的数字序号。

ILN

中间点的的顺序号

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 0)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

7

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

SMIN　最小应力(直接应力-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

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

13

14

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

15

16

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

17

18

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

19

20

P3　压力3

SMISC

-

21

-

P4　压力4

SMISC

-

-

22

Pseudo Node（假节点）

1

2

3

4

TEMP　温度

LBFE

1

2

3

4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 1)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

ILI

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

7

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

8

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

9

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

7

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

8

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

9

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

7

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

8

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

9

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

10

-

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

5

SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)

NMISC

-

2

4

6

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

19

-

20

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

21

-

22

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

23

-

24

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

25

-

26

P3　压力3

SMISC

-

27

-

-

P4　压力4

SMISC

-

-

-

28

Pseudo Node（假节点）

1

2

3

4

TEMP　温度

LBFE

1

2

3

4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 3)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

7

10

13

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

8

11

14

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

9

12

15

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

7

10

13

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

8

11

14

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

9

12

15

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

7

10

13

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

8

11

14

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

9

12

15

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

16

-

-

-

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

5

7

9

SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)

NMISC

-

2

4

6

8

10

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

19

25

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

20

26

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

24

30

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

31

-

-

-

32

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

33

-

-

-

34

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

35

-

-

-

36

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

37

-

-

-

38

P3　压力3

SMISC

-

39

-

-

-

-

P4　压力4

SMISC

-

-

-

-

-

40

Pseudo Node（假节点）

1

2

3

4

TEMP　温度

LBFE

1

2

3

4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 5)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

IL4

IL5

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

7

10

13

16

19

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

8

11

14

17

20

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

9

12

15

18

21

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

7

10

13

16

19

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

8

11

14

17

20

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

9

12

15

18

21

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

7

10

13

16

19

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

8

11

14

17

20

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

9

12

15

18

21

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

22

-

-

-

-

-

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

5

7

9

11

13

SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)

NMISC

-

2

4

6

8

10

12

14

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

19

25

31

37

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

20

26

32

38

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

24

30

36

42

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

43

-

-

-

-

-

44

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

45

-

-

-

-

-

46

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

47

-

-

-

-

-

48

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

49

-

-

-

-

-

50

P3　压力3

SMISC

-

51

-

-

-

-

-

-

P4　压力4

SMISC

-

-

-

-

-

-

-

52

Pseudo Node(假节点)

1

2

3

4

TEMP　温度

LBFE

1

2

3

4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 7)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

IL4

IL5

IL6

IL7

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

28

-

-

-

-

-

-

-

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

5

7

9

11

13

15

17

SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)

NMISC

-

2

4

6

8

10

12

14

16

18

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

19

25

31

37

43

49

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

20

26

32

38

44

50

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

24

30

36

42

48

54

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

55

-

-

-

-

-

-

-

56

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

57

-

-

-

-

-

-

-

58

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

59

-

-

-

-

-

-

-

60

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

61

-

-

-

-

-

-

-

62

P3　压力3

SMISC

-

63

-

-

-

-

-

-

-

-

P4　压力4

SMISC

-

-

-

-

-

-

-

-

64

Pseudo Node(假节点)

1

2

3

4

TEMP 温度

LBFE

1

2

3

4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 9)

Output Quantity Name

（变量名）

ETABLE 和 ESOL命令输入项

Item

E

I

IL1

IL2

IL3

IL4

IL5

IL6

IL7

IL8

IL9

J

SDIR　轴向直接应力

LS

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

LS

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

29

32

SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力

LS

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

EPELDIR　端部轴向弹性应变

LEPEL

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

29

32

EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变

LEPEL

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

EPTHDIR　端点轴向热应变

LEPTH

-

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

2

5

8

11

14

17

20

23

26

29

32

EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变

LEPTH

-

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

EPINAXL　单元初始轴向应变

LEPTH

34

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)

NMISC

-

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)

NMISC

-

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

MFORX单元坐标系中X方向的力

SMISC

-

1

7

13

19

25

31

37

43

49

55

61

MFORY单元坐标系中Y方向的力

SMISC

-

2

8

14

20

26

32

38

44

50

56

62

MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩

SMISC

-

6

12

18

24

30

36

42

48

54

60

66

P1　压力1在节点 I,J间

SMISC

-

67

-

-

-

-

-

-

-

-

-

68

OFFST1压力1距节点偏移量

SMISC

-

69

-

-

-

-

-

-

-

-

-

70

P2　压力2在节点 I,J间

SMISC

-

71

-

-

-

-

-

-

-

-

-

72

OFFST2　压力2距节点偏移量

SMISC

-

73

-

-

-

-

-

-

-

-

-

74

P3　压力3

SMISC

-

75

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

P4　压力4

SMISC

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

76

Pseudo Node(假节点)

1

2

3

4

TEMP

LBFE

1

2

3

4

假设与限制:

l 梁单元必须位于X-Y平面内，长度及面积不可为0;

l 对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计算为中性轴至最外边的距离为高度的一半；

l 单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；

l 作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；

l 若不使用大变形时，转动惯量可为0。

BEAM3在软件各产品中的使用限制：

当使用以下产品时，BEAM3单元的使用还要受到以下限制：

ANSYS专业版：

· 不能计算阻尼材料.

· 体荷载不能为热流量.

· 能考虑的特性仅限应力硬化及大挠度两项。

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