第五章 ANSYS Beam188单元应用.docx

Beam188/189单元基于Timoshenko梁理论（一阶剪切变形理论：横向剪切应变在横截面上是常数，也就是说，变形后的横截面保持平面不发生扭曲）而开发的，并考虑了剪切变形的影响，适合于分析从细长到中等粗细的梁结构。该单元提供了无约束和有约束的横截面的翘曲选项。 Beam188是一种3D线性、二次或三次的2节点梁单元。Beam189是一种3D二次3节点梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，包括x、y、z 方向的平动自由度和绕x、y、z 轴的转动自由度，还有一个可选择的翘曲自由度。该单元非常适合线性、大角度转动或大应变非线性问题。 beam188的应力刚化选项在任何大挠度分析中都是缺省打开的，从而可以分析弯曲、横向及扭转稳定问题(进行特征值屈曲分析或（采用弧长法或非线性稳定法）破坏研究)。 Beam188/beam189单元支持弹性、塑性，蠕变及其他非线性材料模型。这种单元还可以采用多种材料组成的截面。??单元还支持横向剪力和横向剪应变的弹性关系，但不能使用高阶理论证明剪应力的分布变化。 下图是单元几何示意图：该单元的几何形状、节点位置、坐标体系和压力方向如图所示，beam188 由整体坐标系的节点i 和j 定义。 对于Beam188梁单元，当采用默认的KEYOPT(3)=0，则采用线性的形函数，沿着长度用了一个积分点，因此，单元求解量沿长度保持不变；当KEYOPT(3)=2，该单元就生成一个内插节点，并采用二次形函数,沿长度用了两个积分点，单元求解量沿长度线性变化；当KEYOPT(3)=3，该单元就生成两个内节点，并采用三次形函数,沿长度用了三个积分点，单元求解量沿长度二次变化； 当在下面情况下需要考虑高阶单元内插时，推荐二次和三次选项： 变截面的单元； 单元内存在非均布荷载（包含梯形荷载）时，三次形函数选项比二次选项提供更好的结果。（对于局部的分布荷载和非节点集中荷载情况，只有三次选项有效）； 单元可能承受高度不均匀变形时。（比如土木工程结构中的个别框架构件用单个单元模拟时） Beam188单元的二次和三次选项有两个限制： 虽然单元采用高阶内插，但是beam188的初始几何按直线处理； 因为内节点是不可影响的，所以在这些节点上不允许有边界（或荷载或初始）条件。 由于这些限制，所以如果beam189模型的中间节点作用有边界（或荷载或初始）条件或者中间节点不在单元中点时，需要注意beam188的二次选项和beam189的差异。同样，beam188的三次选项不同于传统三次（Hermitian）梁单元。 未变形的状态决定了计算扭转作用的St.Venant 翘曲函数，该翘曲函数用来定义屈服后的剪应变。Ansys在 没有提供选项来重新计算在分析过程中变形状态的横截面扭转剪力分布和横截面可能的部分塑性屈服。因此，由扭转作用引起的大的非弹性变形需要谨慎处理和验证。在这样的情况下，推荐采用solid 或者shell 单元来模拟。 　　Beam188 可以在没有方向节点的情况下被定义。在这种情况下，单元的x 轴方向为i 节点指向j 节点。对于两节点的情况，默认的y 轴方向按平行x-y 平面自动计算。对于单元平行与z 轴的情况(或者斜度在0.01%以内)，单元的y 轴的方向平行与整体坐标的y 轴(如图)。用第三个节点的选项，用户可以定义单元的x 轴方向。如果两者都定义了，那么第三节点的选项优先考虑。第三个节点(K)，如果采用的话，将和i、j 节点一起定义包含单元x 轴和z 轴的平面(如图)。如果该单元采用大变形分析，需要注意这个第三号节点紧紧在定义初始单元方向的时候有效。 　　Beam188/beam189 提供在积分点和界面节点输出的选项。你可以要求紧紧在截面的外表面输出。(PRSSOL 打印截面节点和截面积分点结果。应力和应变在截面的截面打印，塑性应变，塑性作用，蠕变应力在截面的积分点输出。 　　当与单元相关的材料有非弹性的行为或者当截面的温度在截面中有变化，基本计算在截面的积分点上运行。对于更多的普通的弹性的运用，单元运用预先计算好的单元积分点上的截面属性。无论如何，应力和应变通过截面的积分点输出来计算。 　　如果截面指定为ASEC 亚类，仅仅广义的应力和应变(轴力、弯距、横向剪切、弯曲、剪应力)能够输出。3-D 轮廓线和变形形状不能输出。ASEC 亚类紧紧可以作为细矩形来显示来定义梁的方向。 　　Beam188/beam189 能够对组合梁进行分析，(例如，那些由两种或者两个以上材料复合而成的简单的实体梁)。这些组件被假设为完全固接在一起的。因此，该梁表现为一单一的元件。 　　多材料截面能力仅仅在梁的行为假定(铁木辛哥或者伯努力欧拉梁理论)成立的时候能运用。 　　用其他的话说，支持简单的传统铁木辛哥梁理论的扩展。在这些地方可能应