ANSYS 入门教程 (44) - 结构线性静力分析 (b)

6.3 梁结构

★ 梁是工程结构最为常用的结构形式之一。

★ ANSYS 中的梁单元有多个种类，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转 (3D) 单元。 ★ 梁单元在应用中应考虑许多问题，如自由度释放（铰接）、剪切变形的影响、梁截面特性、截面方向、

应力计算、内力处理等。

★ 在实际结构简化时，尚应考虑梁单元的适用条件、结点偏心与刚臂、边界条件确定等问题。

一、 几种梁单元用法与结果

如图所示的空间结构， 分别采用BEAM4、BEAM24、BEAM44、BEAM188、BEAM189 单元进行分

析，所有单元均采用缺省设置，计算结果如表所示。

在计算过程中，需要注意以下几个问题：

① 单元坐标系：单元坐标系的 X 轴总是从 I 节点指向 J 节点，BEAM4 单元当采用缺省定义时（不输入 K 节点或 Θ 角），单元坐标系的 Y 轴与总体坐标系的 Y 轴平行；如果单元坐标系的 X 轴平行于总体坐标系的 Y 轴，则单元坐标系的 Z 轴与总体坐标系的 Z 轴平行；用右手法则可确定单元坐标系的

另外一轴方向。

BEAM24 必须定义方位点。BEAM44、BEAM188、BEAM189 可采用缺省（不定义方位点），但不一定是期望的截面方向，因此建议定义方位点。这 5 种梁单元由定位点和始末节点构成的平面包含单元的 X

轴和 Z 轴。

② 实常数：BEAM4 单元输入实常数时，必须明确单元坐标系的方向，否则容易将惯性矩输错，即 IZZ 和 IYY 交换；对 BEAM4 的扭转惯矩 IXX 不宜缺省（缺省时为 IYY 和 IZZ之和，即极惯性矩），因为

扭转惯矩一般小于极惯性矩，如此缺省对结构的扭转刚度影响很大。

BEAM44 当为等截面梁时可采用梁截面输入，而当为变截面梁时，则只能用实常数输入。而

BEAM188 和 BEAM189 单元则可用于等截面或变截面梁。

当采用梁截面时，实常数不必定义。

③ 剪切模量：剪切模量可根据实际材料确定。当 GXY、PRXY 和 NUXY 都不定义时，ANSYS 会发出警告且采用GXY=EX/2.6；如仅定义了主泊松系数 PRXY，则 ANSYS 按 GXY=0.5×EX/(1+PRXY)

计算。 示例命令流：

! EX6.3 几种梁单元用法与结果

! EX6.3A-BEAM4 单元 finish $ /clear $ /prep7

! ① 定义单元类型、材料特性、实常数等

et,1,beam4 $ mp,ex,1,2.1e11 $ mp,prxy,1,0.3

r,1,1032e-5,158936e-9,1947744e-11,0.18,0.3 $ rmore,,110976e-11 r,2,1032e-5,1947744e-11,158936e-9,0.3,0.18 $ rmore,,110976e-11 ! ② 创建几何模型、施加约束和集中荷载、定义所有线都划分 10 个单元

k,1 $ k,2,,4 $ k,3,3,4 $ k,4,3,4,-2 $ l,1,2 $ l,2,3 $ l,3,4

dk,1,all $ dk,4,ux,,,,uy,uz $ fk,3,fy,-15000 $ fk,3,fz,8000 $ lesize,all,,,10

! ③ 选择线、定义线属性、划分网格、施加单元线荷载 lsel,s,,,1 $ latt,1,1,1 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,2,pres,3000 lsel,s,,,2 $ latt,1,1,1 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,2,pres,2000 lsel,s,,,3 $ latt,1,2,1 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,1,pres,-1000

! ④ 求解 allsel $ /solu $ solve

! ⑤ 后处理 /post1 $ pldisp,1 ! ⑤ A定义单元表

etable,fxi,smisc,1 $ etable,fxj,smisc,7 !单元杆端FX etable,fyi,smisc,2 $ etable,fyj,smisc,8 !单元杆端FY etable,fzi,smisc,3 $ etable,fzj,smisc,9 !单元杆端FZ etable,mxi,smisc,4 $ etable,mxj,smisc,10 !单元杆端MX etable,myi,smisc,5 $ etable,myj,smisc,11 !单元杆端MY etable,mzi,smisc,6 $ etable,mzj,smisc,12 !单元杆端Mz etable,smini,nmisc,2 $ etable,sminj,nmisc,4 !单元最小应力

! 特别地，BEAM4 单元的应力计算基于输入的截面高度 TKZ 和 TKY，按中性轴在其 1/2 处

! 计算应力，因此该应力对于双轴对称截面可用，其它截面形式要慎用，以免出错。

! ⑤ B 显示单元坐标系中的结果

plls,fxi,fxj $ plls,fyi,fyj $ plls,fzi,fzj $ plls,mxi,mxj $ plls,myi,myj

plls,mzi,mzj $ plls,smini,sminj $ prnsol,u $ prrsol

! EX6.3B-BEAM24 单元 finish $ /clear $ /prep7

! ① 定义单元类型、材料特性、实常数等 et,1,beam24,1 $ mp,ex,1,2.1e11 $ mp,prxy,1,0.3

r,1,-0.09,-0.14,0,0.09,-0.14,0.02

rmore,0,-0.14,0,0,0.14,0.012 $ rmore,-0.09,0.14,0,0.09,0.14,0.02 ! ② 创建几何模型、施加约束和集中荷载、定义所有线都划分 10 个单元

k,1$k,2,,4 $ k,3,3,4 $ k,4,3,4,-2 $ k,51,-3,2 $ k,52,2,6

k,53,0,4,-1 $ l,1,2 $ l,2,3 $ l,3,4

dk,1,all $ dk,4,ux,,,,uy,uz $ fk,3,fy,-15000 $ fk,3,fz,8000 $ lesize,all,,,10

! ③ 选择线、定义线属性、划分网格、施加单元线荷载

lsel,s,,,1 $ latt,1,1,1,,,51 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,1,pres,3000 lsel,s,,,2 $ latt,1,1,1,,,52 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,1,pres,2000 lsel,s,,,3 $ latt,1,1,1,,,53 $ lmesh,all $ esll,s $ sfbeam,all,1,pres,1000 $ allsel

! ④ 求解