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Beam3二维弹性单元特性

来源: www.fealab.com 发布时间: 2012-08-18 18:40 6757 次浏览大小: 16px 14px 12px

Beam3单元描述： Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。本单元更详细的说明见《ANSYS, Inc. Theory Reference》，CAE

Beam3单元描述：

Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。本单元更详细的说明见《ANSYS, Inc. Theory Reference》，CAE，有限元分析，其它的二维梁单元还有塑性梁单元Beam23及非对称变截面梁Beam54。

Beam3单元几何图形：

Beam3输入数据：

上图给出了单元的几何图形、节点位置及坐标系统。单元由两个节点、横截面面积、横截面惯性矩、截面高度及材料属性定义。。初始应变通过Δ/L给定，Δ为单元长度L（由I，J节点坐标算得）与0应变单元长度之差。

如果不计环向作用本单元也可进行轴对称体的分析，如对螺栓、带缝圆柱等。在轴对称分析时输入的面积和惯性矩应是全截面的。剪切变形量（SHERAR）是可选的，CAE，有限元分析，如给SHERAR赋值为0则表示忽略剪切变形（相关细节见Shear Deflection），当然剪切模量（GXY）只有在考虑剪切变形时才起作用。单元还可在实常数ADDMAS中输入单位长度的附加质量。

“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四个角上设定温度值，其被当做体荷载处理。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。

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：

l 考虑应力硬化时TIF，ON］；

l 一个以上的部件作用有角速度时OMEGA]；

l 通过命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度时。

BEAM3输入参数汇总：

节点：I, J

自由度：UX, UY, ROTZ

实常数：

AREA – 横截面面积

IZZ – 截面惯性矩

HEIGHT – 截面高

SHEARZ – 剪切变形系数

ISTRN – 初始应变

ADDMAS – 每单位长度附加质量

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) (-Y法线方向)

face 2 (I-J) (+X切线方向)

face 3 (I) (+X 轴向)

face 4 (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

特性：

应力强化

大变形

单元生、死

单元选项：

KEYOPT(6) 控制杆件力和力矩输出的选项:

0 -- 不输出力和力矩

1 -- 在单元坐标系中输出力和力矩

KEYOPT(9) 用于控制该单元位于节点I，J中间点的数据输出

N -- 输出N个中间位置数据(N = 0, 1, 3, 5, 7, 9)

KEYOPT(10) 用于控制SFBEAM指令时线性变化的压力的偏移量的输入方法：

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

BEAM3输出数据：

求解输出信息主要包括两部分：

l 节点位移含全部节点解

l 单元其它输出信息见“BEAM3单元输出信息表”

“BEAM3应力输出图”说明了一些情况，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”

BEAM3应力输出图

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。

单元输出信息表

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	N	Y
XC, YC	输出结果坐标	Y	3
TEMP	温度 T1, T2, T3, T4	Y	Y
PRES	压力 P1 at nodes I,J; 偏移量1 at I,J;P2 at I,J; 偏移量2 at I, J; P3 at I; P4 at J	Y	Y
SDIR	轴向直接应力	1	1
SBYT	梁内单元+Y面上的弯曲应力	1	1
SBYB	梁内单元-Y面上的弯曲应力	1	1
SMAX	最大应力(直接应力+弯曲应力)	1	1
SMIN	最小应力(直接应力-弯曲应力)	1	1
EPELDIR	端部轴向弹性应变	1	1
EPELBYT	梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	1	1
EPELBYB	梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	1	1
EPTHDIR	端点轴向热应变	1	1
EPTHBYT	梁内单元+Y面上的弯曲热应变	1	1
EPTHBYB	梁内单元-Y面上的弯曲热应变	1	1
EPINAXL	单元初始轴向应变	1	1
MFOR(X, Y)	单元坐标系中X，Y方向的力	2	Y
MMOMZ	单元坐标系中Z方向的弯矩	2	Y
说明： 1、每个单元的节点I，J及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果； 2、如果KEYOPT(6) = 1； 3、仅在几何中心作*GET的一个项目可用。

“BEAM3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“BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）＝0）”到“BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）＝9）”的一些使用说明：

Name

指在“BEAM3单元输出信息表”中的有关变量。

Item

命令ETABLE中使用的参数。

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

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 0)

Output Quantity Name （变量名）		ETABLE 和 ESOL命令输入项
Output Quantity Name （变量名）		Item	E	I	J
SDIR　轴向直接应力		LS	-	1	4
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力		LS	-	2	5
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力		LS	-	3	6
EPELDIR　端部轴向弹性应变		LEPEL	-	1	4
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变		LEPEL	-	2	5
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变		LEPEL	-	3	6
EPTHDIR　端点轴向热应变		LEPTH	-	1	4
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变		LEPTH	-	2	5
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变		LEPTH	-	3	6
EPINAXL　单元初始轴向应变		LEPTH	7	-	-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)		NMISC	-	1	3
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)		NMISC	-	2	4
MFORX单元坐标系中X方向的力		SMISC	-	1	7
MFORY单元坐标系中Y方向的力		SMISC	-	2	8
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩		SMISC	-	6	12
P1　压力1在节点 I,J间		SMISC	-	13	14
OFFST1压力1距节点偏移量		SMISC	-	15	16
P2　压力2在节点 I,J间		SMISC	-	17	18
OFFST2　压力2距节点偏移量		SMISC	-	19	20
P3　压力3		SMISC	-	21	-
P4　压力4		SMISC	-	-	22
		Pseudo Node（假节点）
		1	2	3	4
TEMP　温度	LBFE	1	2	3	4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 1)

Output Quantity Name （变量名）	ETABLE 和 ESOL命令输入项
Output Quantity Name （变量名）	Item	E	I	ILI	J
SDIR　轴向直接应力	LS	-	1	4	7
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力	LS	-	2	5	8
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力	LS	-	3	6	9
EPELDIR　端部轴向弹性应变	LEPEL	-	1	4	7
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	2	5	8
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	3	6	9
EPTHDIR　端点轴向热应变	LEPTH	-	1	4	7
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	2	5	8
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	3	6	9
EPINAXL　单元初始轴向应变	LEPTH	10	-	-	-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)	NMISC	-	1	3	5
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)	NMISC	-	2	4	6
MFORX单元坐标系中X方向的力	SMISC	-	1	7	13
MFORY单元坐标系中Y方向的力	SMISC	-	2	8	14
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩	SMISC	-	6	12	18
P1　压力1在节点 I,J间	SMISC	-	19	-	20
OFFST1压力1距节点偏移量	SMISC	-	21	-	22
P2　压力2在节点 I,J间	SMISC	-	23	-	24
OFFST2　压力2距节点偏移量	SMISC	-	25	-	26
P3　压力3	SMISC	-	27	-	-
P4　压力4	SMISC	-	-	-	28
		Pseudo Node（假节点）
		1	2	3	4
TEMP　温度	LBFE	1	2	3	4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 3)

Output Quantity Name （变量名）	ETABLE 和 ESOL命令输入项
Output Quantity Name （变量名）	Item	E	I	IL1		IL2	IL3		J
SDIR　轴向直接应力	LS	-	1	4		7	10		13
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力	LS	-	2	5		8	11		14
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力	LS	-	3	6		9	12		15
EPELDIR　端部轴向弹性应变	LEPEL	-	1	4		7	10		13
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	2	5		8	11		14
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	3	6		9	12		15
EPTHDIR　端点轴向热应变	LEPTH	-	1	4		7	10		13
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	2	5		8	11		14
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	3	6		9	12		15
EPINAXL　单元初始轴向应变	LEPTH	16	-	-		-	-		-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)	NMISC	-	1	3		5	7		9
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)	NMISC	-	2	4		6	8		10
MFORX单元坐标系中X方向的力	SMISC	-	1	7		13	19		25
MFORY单元坐标系中Y方向的力	SMISC	-	2	8		14	20		26
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩	SMISC	-	6	12		18	24		30
P1　压力1在节点 I,J间	SMISC	-	31	-		-	-		32
OFFST1压力1距节点偏移量	SMISC	-	33	-		-	-		34
P2　压力2在节点 I,J间	SMISC	-	35	-		-	-		36
OFFST2　压力2距节点偏移量	SMISC	-	37	-		-	-		38
P3　压力3	SMISC	-	39	-		-	-		-
P4　压力4	SMISC	-	-	-		-	-		40
		Pseudo Node（假节点）
		1	2		3			4
TEMP　温度	LBFE	1	2		3			4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 5)

Output Quantity Name （变量名）	ETABLE 和 ESOL命令输入项
	Item	E	I		IL1	IL2		IL3	IL4		IL5	J
SDIR　轴向直接应力	LS	-	1		4	7		10	13		16	19
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力	LS	-	2		5	8		11	14		17	20
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力	LS	-	3		6	9		12	15		18	21
EPELDIR　端部轴向弹性应变	LEPEL	-	1		4	7		10	13		16	19
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	2		5	8		11	14		17	20
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	3		6	9		12	15		18	21
EPTHDIR　端点轴向热应变	LEPTH	-	1		4	7		10	13		16	19
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	2		5	8		11	14		17	20
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	3		6	9		12	15		18	21
EPINAXL　单元初始轴向应变	LEPTH	22	-		-	-		-	-		-	-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)	NMISC	-	1		3	5		7	9		11	13
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)	NMISC	-	2		4	6		8	10		12	14
MFORX单元坐标系中X方向的力	SMISC	-	1		7	13		19	25		31	37
MFORY单元坐标系中Y方向的力	SMISC	-	2		8	14		20	26		32	38
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩	SMISC	-	6		12	18		24	30		36	42
P1　压力1在节点 I,J间	SMISC	-	43		-	-		-	-		-	44
OFFST1压力1距节点偏移量	SMISC	-	45		-	-		-	-		-	46
P2　压力2在节点 I,J间	SMISC	-	47		-	-		-	-		-	48
OFFST2　压力2距节点偏移量	SMISC	-	49		-	-		-	-		-	50
P3　压力3	SMISC	-	51		-	-		-	-		-	-
P4　压力4	SMISC	-	-		-	-		-	-		-	52
		Pseudo Node(假节点)
		1		2			3			4
TEMP　温度	LBFE	1		2			3			4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 7)

Output Quantity Name （变量名）	ETABLE 和 ESOL命令输入项
	Item	E		I	IL1	IL2		IL3	IL4		IL5	IL6		IL7	J
SDIR　轴向直接应力	LS	-		1	4	7		10	13		16	19		22	25
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力	LS	-		2	5	8		11	14		17	20		23	26
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力	LS	-		3	6	9		12	15		18	21		24	27
EPELDIR　端部轴向弹性应变	LEPEL	-		1	4	7		10	13		16	19		22	25
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-		2	5	8		11	14		17	20		23	26
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-		3	6	9		12	15		18	21		24	27
EPTHDIR　端点轴向热应变	LEPTH	-		1	4	7		10	13		16	19		22	25
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-		2	5	8		11	14		17	20		23	26
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-		3	6	9		12	15		18	21		24	27
EPINAXL　单元初始轴向应变	LEPTH	28		-	-	-		-	-		-	-		-	-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)	NMISC	-		1	3	5		7	9		11	13		15	17
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)	NMISC	-		2	4	6		8	10		12	14		16	18
MFORX单元坐标系中X方向的力	SMISC	-		1	7	13		19	25		31	37		43	49
MFORY单元坐标系中Y方向的力	SMISC	-		2	8	14		20	26		32	38		44	50
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩	SMISC	-		6	12	18		24	30		36	42		48	54
P1　压力1在节点 I,J间	SMISC	-		55	-	-		-	-		-	-		-	56
OFFST1压力1距节点偏移量	SMISC	-		57	-	-		-	-		-	-		-	58
P2　压力2在节点 I,J间	SMISC	-		59	-	-		-	-		-	-		-	60
OFFST2　压力2距节点偏移量	SMISC	-		61	-	-		-	-		-	-		-	62
P3　压力3	SMISC	-		63	-	-		-	-		-	-		-	-
P4　压力4	SMISC	-			-	-		-	-		-	-		-	64
			Pseudo Node(假节点)
			1				2			3			4
TEMP 温度	LBFE		1				2			3			4

BEAM3项目和序号表(KEYOPT(9) = 9)

Output Quantity Name （变量名）	ETABLE 和 ESOL命令输入项
	Item	E	I		IL1	IL2	IL3		IL4	IL5		IL6	IL7	IL8		IL9	J
SDIR　轴向直接应力	LS	-	1		4	7	10		13	16		19	22	25		28	31
SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力	LS	-	2		5	8	11		14	17		20	23	26		29	32
SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力	LS	-	3		6	9	12		15	18		21	24	27		30	33
EPELDIR　端部轴向弹性应变	LEPEL	-	1		4	7	10		13	16		19	22	25		28	31
EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	2		5	8	11		14	17		20	23	26		29	32
EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变	LEPEL	-	3		6	9	12		15	18		21	24	27		30	33
EPTHDIR　端点轴向热应变	LEPTH	-	1		4	7	10		13	16		19	22	25		28	31
EPTHBYT　梁内单元+Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	2		5	8	11		14	17		20	23	26		29	32
EPTHBYB　梁内单元-Y面上的弯曲热应变	LEPTH	-	3		6	9	12		15	18		21	24	27		30	33
EPINAXL　单元初始轴向应变	LEPTH	34	-		-	-	-		-	-		-	-	-		-	-
SMAX　最大应力(直接应力+弯曲应力)	NMISC	-	1		3	5	7		9	11		13	15	17		19	21
SMIN　最小应力(直接应力-弯曲应力)	NMISC	-	2		4	6	8		10	12		14	16	18		20	22
MFORX单元坐标系中X方向的力	SMISC	-	1		7	13	19		25	31		37	43	49		55	61
MFORY单元坐标系中Y方向的力	SMISC	-	2		8	14	20		26	32		38	44	50		56	62
MMOMZ　单元坐标系中Z方向的弯矩	SMISC	-	6		12	18	24		30	36		42	48	54		60	66
P1　压力1在节点 I,J间	SMISC	-	67		-	-	-		-	-		-	-	-		-	68
OFFST1压力1距节点偏移量	SMISC	-	69		-	-	-		-	-		-	-	-		-	70
P2　压力2在节点 I,J间	SMISC	-	71		-	-	-		-	-		-	-	-		-	72
OFFST2　压力2距节点偏移量	SMISC	-	73		-	-	-		-	-		-	-	-		-	74
P3　压力3	SMISC	-	75		-	-	-		-	-		-	-	-		-	-
P4　压力4	SMISC	-	-		-	-	-		-	-		-	-	-		-	76
				Pseudo Node(假节点)
				1				2			3				4
TEMP	LBFE			1				2			3				4

假设与限制:

l 梁单元必须位于X-Y平面内，长度及面积不可为0;

l 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；

l 单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；

l 作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；

l 若不使用大变形时，转动惯量可为0。

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