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2007
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ANSYS梁单元的选择

        ANSYS中有七八种梁单元,它们的特点和适用范围各不相同。了解这些单元之间的异同,有助于正确选择单元类型和得到较为理想的计算结果。

        梁是一种几何上一维而空间上二维或三维的单元,主要用于模拟一个方向长度大于其它两方向的结构形式。也就是说,主要指那些细长、像柱子一样的结构,只要横截面的尺寸小于长度尺寸,就可以选用梁单元来模拟(这在一定意义上和壳单元在一个方向上比另外两个方向都薄原理相似)。通常来讲,横截面尺寸需要小于长度的1/20或1/30,这里的长度是指两支撑点间的物理意义上的距离。梁单元本身可以进行任意的网格划分,且不支配梁理论的适用性;反过来,就像刚才提到的那样,物理尺寸和特性将决定选择哪种单元更为合适。

有两种基本的梁单元理论:铁木辛格(剪切变形)理论和欧拉-伯努力理论。ANSYS中的如下单元是基于欧拉-伯努力梁理论:
  1. 2D/3D elastic BEAM3/4
  2. 2D plastic BEAM23
  3. 2D/3D offset tapered,unsymmetric BEAM54/44
  4. 3D thin-walled,plastic BEAM24
欧拉-伯努力梁理论建立在如下假定的基础上:
  1. 单元形函数为Hermitian多项式,挠度是三次函数;
  2. 弯矩可以线性改变;
  3. 不考虑横截面剪切变形;
  4. 扭转时截面不发生翘曲;
  5. 只具有线性材料能力(部分单元BEAM23/24具有有限的非线性材料能力);
  6. 非常有限的前后处理能力(除了BEAM44)。
ANSYS中有两种梁单元(BEAM188和BEAM189)是基于铁木辛格(剪切变形)理论,这种梁理论主要建立在如下假定基础上:
  1. 单元形函数为拉格朗日插值多项式,具有线性或二次的位移函数;
  2. 横向剪应力沿厚度方向为常数(一阶剪切变形梁单元);
  3. 可以模拟自由或约束扭转效应;
  4. 支持丰富的模型特性(塑性和蠕变);
  5. 强大的前生处理能力。
使用中需要注意
(1)铁木辛格(剪切变形)理论是基于一阶剪切变形理论的,它不能准确地求解短粗梁,因此,ANSYS在帮助里指出该类型梁的适用范围是:GAl2/EI>30,对于那些高跨比较大的梁应选用实体单元求解;
(2)ANSYS中2结点的铁木辛格(剪切变形)单元BEAM188对网格密度的依赖性较强,选用时单根构件单元数应不小于5或不小于3,并且打开KEYOPT(3),否则误差会较大。

参考文章[下载]:
[E]CSI Tip of the Week:Structual Beam Elements
[中]ANSYS梁单元理论基础及其选用方法
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