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ANSYS梁單元的選擇

時間:2008-09-15 11:02:25 來源:
ANSYS中有七八種梁單元,它們的特點和適用范圍各不相同。了解這些單元之間的異同,有助于正確選擇單元類型和得到較為理想的計算結果。

        梁是一種幾何上一維而空間上二維或三維的單元,主要用于模擬一個方向長度大于其它兩方向的結構形式。也就是說,主要指那些細長、像柱子一樣的結構,只要橫截面的尺寸小于長度尺寸,就可以選用梁單元來模擬(這在一定意義上和殼單元在一個方向上比另外兩個方向都薄原理相似)。通常來講,橫截面尺寸需要小于長度的1/20或1/30,這里的長度是指兩支撐點間的物理意義上的距離。梁單元本身可以進行任意的網格劃分,且不支配梁理論的適用性;反過來,就像剛才提到的那樣,物理尺寸和特性將決定選擇哪種單元更為合適。

有兩種基本的梁單元理論:鐵木辛格(剪切變形)理論和歐拉-伯努力理論。ANSYS中的如下單元是基于歐拉-伯努力梁理論:
  1. 2D/3D elastic BEAM3/4
  2. 2D plastic BEAM23
  3. 2D/3D offset tapered,unsymmetric BEAM54/44
  4. 3D thin-walled,plastic BEAM24
歐拉-伯努力梁理論建立在如下假定的基礎上:
  1. 單元形函數為Hermitian多項式,撓度是三次函數;
  2. 彎矩可以線性改變;
  3. 不考慮橫截面剪切變形;
  4. 扭轉時截面不發生翹曲;
  5. 只具有線性材料能力(部分單元BEAM23/24具有有限的非線性材料能力);
  6. 非常有限的前后處理能力(除了BEAM44)。
ANSYS中有兩種梁單元(BEAM188和BEAM189)是基于鐵木辛格(剪切變形)理論,這種梁理論主要建立在如下假定基礎上:
  1. 單元形函數為拉格朗日插值多項式,具有線性或二次的位移函數;
  2. 橫向剪應力沿厚度方向為常數(一階剪切變形梁單元);
  3. 可以模擬自由或約束扭轉效應;
  4. 支持豐富的模型特性(塑性和蠕變);
  5. 強大的前生處理能力。
使用中需要注意
(1)鐵木辛格(剪切變形)理論是基于一階剪切變形理論的,它不能準確地求解短粗梁,因此,ANSYS在幫助里指出該類型梁的適用范圍是:GAl2/EI>30,對于那些高跨比較大的梁應選用實體單元求解;
(2)ANSYS中2結點的鐵木辛格(剪切變形)單元BEAM188對網格密度的依賴性較強,選用時單根構件單元數應不小于5或不小于3,并且打開KEYOPT(3),否則誤差會較大。