關于ansys框架計算中beam4單元與beam188單元區別

2016-09-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

[討論] 關于ansys框架計算中beam4單元與beam188單元區別

關于ansys結構計算中beam4單元與beam188單元、beam189單元區別,我們在計算中選取計算單元時總存在疑惑。 Beam4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的三維彈性梁單元。這種單元在每個節點上有六個自由度:x、y、z三個方向的線位移和繞x,y,z三個軸的角位移。可用于計算應力硬化及大變形的問題。
Beam188與Beam189相對Beam4的第一個突出點是具有更出色的截面數據定義功能和可視化特性,橫截面定義指垂直于梁的軸向的截面形狀。ANSYS提供了11種常用梁截面形狀,并支持用戶自定義截面形狀。當定義了一個橫截面時,ANSYS建立一個9結點的數值模型來確定梁的截面特性(如lyy,lzz等),并通過求解泊松方程得到彎曲特征。第二個突出點是Beam188與Beam189自動考慮了剪切變
形。
采用BEAM4建模時,直接輸入截面特性:兩個主軸的慣性矩,高度,寬度,面積。ANSYS處理時直接調入參數計算。對于所有截面型式模型中均顯示為矩形,但對非矩形截面時并不是簡單的等效為矩形,在雙向受力時按等效矩形計算是錯誤的。
采用Beam188、Beam189建模時,均采用自定義截面。自定義截面均未考慮型鋼截面的倒角,柱由兩根工字鋼(250X118X8)組焊而成,x-x,y-y軸慣性矩分別比實際減少了0.6%,19%。大梁由兩根槽鋼(250X78X7)組焊,x-x,y-y軸慣性矩分別比實際減少1.3%,17%。小梁采用200X100X7的工字鋼x-x,y-y軸慣性矩分別比實際減少0.8%,2%。可見,對于常見截面型式,直接采用ANSYS提供的
截面誤差較小。對于一些組合梁自定義截面時應計入型鋼倒角。
Beam4采用了主自由度的原理,是基于結構力學經典梁彎曲理論構造的梁單元,忽略了剪切變形的影響,應用了中線的法線在變形后仍保持和中面垂直的直法線假設。
beam188 、Beam189基于Timoshenko梁的理論。采用相對自由度原理,考慮了剪切變形的影響,撓度和截面轉動各自獨立插值,但仍假設中面的法線變形后仍保持直線(不一定仍與中面垂直),這類單元本質上就是實體單元。
Beam188 、Beam189單元適合分析從細長到中等粗細的梁結構。但當梁h/l→0時,由于2結點Timoshenko單元Beam188,不象經典梁單元在撓度ω的模式中精確的包含了三次函數,因此正應力誤差較大。通過增加單元數提高精度,將使自由度相應成倍增加,因此對于剪切影響可以忽略的情形,可以采用經典梁單元。對于需要考慮剪切變形的影響時,改用高次單元Beam189可得到非常好的結果。
實際工程中常常碰到特殊截面型式,采用Beam4單元時顯示為矩形截面,在此需要注意ANSYS 并不是等效為矩形截面,在具體計算時ANSYS 按需要調用輸入參數,因此整個截面應力是不正確的。從實際的工程分析的目的考慮,常常最關心的是單元邊緣和結點上的應力,截面高度與寬度按實際輸入,得到截面邊緣應力是可以滿足工程需要的。當關心整個截面應力分布時,應考慮采用Beam188與Beam189。
對于中粗梁,剪切變形對位移影響較大,故應考慮采用beam188或beam189。Ansys 對懸臂梁進行分析認為當GAl2 /EI<30時需計入剪切變形影響,對于具體結構此值可作為參考。在對剪切的影響不清楚,并且需要得到比較完善的結果時,可以直接使用beam189單元。

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