Ansys中文帮助-单元详解-Beam4

Ansys中文帮助-单元详解-BEAM4
Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。

这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。

可用于计算应力硬化及大变形的问题。

通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。

关于本单元更详细的介绍请参阅《ansys理论手册》,关于渐变的非对称弹性梁的问题应按beam44单元考虑，三维塑性梁应按beam24单元考虑。

Beam4单元的几何模型
（如果省略节点K或Θ角为0度，则单元的Y轴平行于整体坐标系下的X －Y平面）
单元的输入数据
关于本单元的几何模型，节点座标及座标系统详见上图。

本单元的定义通常
是以下这些输入参数确定的：二或三个节点变量，横截面积变量，两个轴惯性矩（IZZ和IYY）变量，两个厚度变量（TKZ，TKY），绕单元座标系下X轴的转角变量（θ），绕X轴（单元座标系下）扭转惯性矩（IXX）及材料属性。

如果IXX没有给定或输入值为0，那系统默认为其等于极惯性矩（IZZ＋IYY）。

IXX 一般应给定且其小于极惯性矩。

单元的扭转刚度随着IXX的减小而减小。

参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。

单元的X轴的方向是指从I节点到J节点。

如果只给了两个节点参数，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》。

）关于单元的初始应变（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。

剪切变形常数（SHARZ和SHEARY）只有当考虑剪切变形时才设定，该值为零时即表示忽略了剪切变形。

KEYOPT（2）用来控制在大变形分析时是否激活（用命令，[NLGEOM,ON]）相容切线刚度矩阵（也就是，由主切线刚度矩阵加上相容应力矩阵所组成的矩阵）。

打开这项设置则在几何非线性分析时将获得快速收敛，例如在非线性屈曲分析时就可打开该项。

但在分析刚性连结或耦合结点时不能激活该项。

在刚度急剧变化的结构分析中也不应打开该项。

KEYOPT（7）用来控制是否进行不对称回转阻尼矩阵的计算（常用于转子动态分析），所须转动频率在实常数SPIN中输入（单位为：弧度/时间，正方向为单元X轴正向），且单元本身必须是对称的（如，IYY＝IZZ，SHEARY＝SHEARZ）。

“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。

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, or DCG/MG作用了角速度或加速度时。

BEAM4输入参数汇总
节点：I, J，K（K为方向节点，是可选的）
自由度：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
实常数：
AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA
ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS
这些实常数的含义见“BEAM4实常数表”
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) (-Z法线方向)
face 2 (I-J) (－Y法线方向)
face 3 (I－J) (+X 轴切线方向)
face 4 (I) (+X 轴向)
face 5 (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，T5，T6，T7，T8
特性：
应力强化
大变形
单元生、死
单元选项：
KEYOPT（2）应力硬化选项
0――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时仅用于主切线刚度矩阵部分（应力硬化关效应用于线性屈曲分析或用PSTRES激活（即设为ON）后的线性预应力分析中）
1――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时用于相容切线刚度矩阵（即主切线刚度矩阵与相容应力刚度矩阵的和），且此时用于设定非线性问题中考虑应力硬化的选项将被忽略（即SSTIF,ON是无效的），另如SOLCONTROL 被设为ON 且NLGEOM 也为ON时, KEYOPT(2) 会自动被设为1。

2――SOLCONTROL 被设为ON时,也不用于相容切线刚度矩阵，这在单元用于通过设定一个大的实常数来仿真刚性体时是必要的。

其实KEYOPT(2) = 2 与KEYOPT(2) = 0的意义是一样的, 有所区别的是KEYOPT(2) = 0要受SOLCONTROL为ON 或OFF的控制, 而KEYOPT(2) = 2 则不受SOLCONTROL的控制。

KEYOPT(6)控制构件力及弯矩的输出
0――不输出
1――输出单元坐标系下的构件的力与弯矩。

KEYOPT(7)控制“回转阻尼矩阵”
0――不计回转阻尼矩阵
1――计算回转阻尼矩阵，且实常数SPIN必应大于0，IYY＝IZZ。

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
BEAM4的输出数据:
单元的求解结果总体为以下两部分：
●节点位移含全部节点解；
●单元解，细则见“BEAM4单元输出数据一览表”
以下是对“BEAM4应力计算结果示意图”的一些说明：
如图，最大应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之和，最小应力是指轴向应力与弯曲应力绝对值之差。

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”
BEAM4应力计算结果示意图
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。

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- Y XC, YC, ZC 输出结果坐标Y 3 TEMP 积分点上的温度T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8 Y Y
PRES 压力P1 at nodes I, J; 偏移量1 at I, J; 压力P2 at I, J;
偏移量2 at I, J; 压力P3 at I, J; 偏移量3 at I, J; 压
力P4 at I; 压力P5 at J
Y Y
SDIR 轴向正应力11 SBYT 梁内单元+Y面上的弯曲应力11 SBYB 梁内单元-Y面上的弯曲应力11 SBZT 梁内单元+Z面上的弯曲应力11 SBZB 梁内单元-Z面上的弯曲应力11 SMAX 最大应力(正应力+弯曲应力) 11 SMIN 最小应力(正应力-弯曲应力) 11 EPELDIR 端部轴向弹性应变11 EPELBYT 梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变11 EPELBYB 梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变11 EPELBZT 梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变11 EPELBZB 梁内单元-Z面上的弯曲弹性应变11
“BEAM4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“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝0）”到“BEAM4项目和序号表（KEYOPT（9）＝9）”的一些使用说明：Name
指在“BEAM4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
假设与限制:
●长度及面积不可为0，当不进行大变形分析时惯性矩可以为0;
●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；
●单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；
●作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；
●当使用相容切线刚度矩阵（KEYOPT(2) = 1）时，一定要注意使用切合实际的（即，按比例的）单元实常数。

这是因为相容应力刚度矩阵是基于单元应力计算的，如果人为取过大或过小的截面特性，则计算的应力可能不正确，导致相应的应力刚度矩阵也不正确（相容应力刚度矩阵的某些分量或能变成无穷大）。

类似的取不合适的实常数带来的问题可能在线性预应力或线性屈曲分析（［PETRES，ON］）中发生。

●在回转仪的模态分析中，特征值的计算对初位移的变化是十分敏感的，可能导致特征值的实部或虚部也可能两部分含有潜在的错误。

BEAM4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：
•实常数SPIN（转动频率）无效；
•不能计算阻尼材料；
•关键选项KEYOPT（2）只能为0；
•关键选项KEYOPT（7）只能为0；
•能考虑的特性仅限应力硬化及大挠度两项。