ANSYS Beam4 单元描述.docx

Beam4 单元描述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。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（），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（IZZIYY）。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XY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（）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/L给定，这里的是单元长度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，IYYIZZ，SHEARYSHEARZ）。“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：l 考虑应力硬化时SSTIF，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。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, THETAISTRN, 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 (IJ) (+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。2SOLCONTROL 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，IYYIZZ。KEYOPT(9)控制单元节点间计算点的输出情况N输出计算点数（N0,1，3,5，7,9）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（01），用相对值形式输入偏移BEAM4 实常数表序号名称描述1AREA横截面积2IZZ惯性矩3IYY惯性矩4TKZ沿Z轴单元厚度5TKY沿Y 轴单元厚度6THETA绕X轴的转角7ISTRN初始应变8IXX扭转惯性矩9SHEARZ剪切变形常数Z 110SHEARY剪切变形常数Y 211SPIN转动频率 (当KEYOPT(7) = 1时设定)12ADDMAS附加质量/单位长度1、 SHEARZ与IZZ有关联，如果SHWARZ0则表示忽略单元Y方向的剪切变形；2、 SHEARY与IYY有关连，如果SHWARY0则表示忽略单元Z方向的剪切变形。BEAM4的输出数据:单元的求解结果总体为以下两部分：l 节点位移含全部节点解；l 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。单元输出信息表名称定义OREL单元号YYNODES单元节点- I, JYYMAT单元材料号YYVOLU:单元体积-YXC, YC, ZC输出结果坐标Y3TEMP积分点上的温度 T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8YYPRES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 JYYSDIR轴向正应力11SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力11SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力11SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力11SBZB梁内单元-Z面上的弯曲应力11SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)11SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)11EPELDIR端部轴向弹性应变11EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变11EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变11EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变11EPELBZB梁内单元-Z面上的弯曲弹性应变11EPTHDIR端点轴向热应变11EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变11EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变11EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变11EPTHBZB梁内单元-Z面上的弯曲热应变11EPINAXL单元初始轴向应变11MFOR(X, Y, Z)单元坐标系中X，Y，Z方向的力2YMMOM(X, Y, Z)单元坐标系中X，Y，Z方向的弯矩2Y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。“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BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) = 0)Output Quantity Name（变量名）ETABLE 和 ESOL命令输入项ItemEIJSDIR轴向直接应力LS-16SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-27SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-38SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-49SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-510EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-16EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-27EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-38EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-49EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-510SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-13SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-24EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-16EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-27EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变LEPTH-38EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变LEPTH-49EPTHBZB梁内单元Z面上的弯曲热应变LEPTH-510EPINAXL单元初始轴向应变LEPTH11-MFORX单元坐标系中X方向的力SMISC-17MFORY单元坐标系中Y方向的力SMISC-28MFORZ单元坐标系中Z方向的力SMISC-39MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩SMISC-410MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩SMISC-511MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩SMISC-612P1压力1在节点 I,J间SMISC-1314OFFST1压力1距节点偏移量SMISC-1516P2压力2在节点 I,J间SMISC-1718OFFST2压力2距节点偏移量SMISC-1920P3压力3在节点 I,J间SMISC-2122OFFST3压力3距节点偏移量SMISC-2324P4压力4SMISC-25-P5压力5SMISC-26Pseudo Node（假节点）12345678温度LBFE12345678BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) = 1)Output Quantity NameETABLE and ESOL Command InputItemEIIL1JSDIR轴向直接应力LS-1611SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-2712SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-3813SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-4914SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-51015EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-1611EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-2712EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-3813EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-4914EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-51015SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-135SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-246EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-1611EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-2712EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变LEPTH-3813EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变LEPTH-4914EPTHBZB梁内单元Z面上的弯曲热应变LEPTH-51015EPINAXL单元初始轴向应变LEPTH16-MFORX单元坐标系中X方向的力SMISC-1713MFORY单元坐标系中Y方向的力SMISC-2814MFORZ单元坐标系中Z方向的力SMISC-3915MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩SMISC-41016MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩SMISC-51117MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩SMISC-61218P1压力1在节点 I,J间SMISC-19-20OFFST1压力1距节点偏移量SMISC-21-22P2压力2在节点 I,J间SMISC-23-24OFFST2压力2距节点偏移量SMISC-25-26P3压力3在节点 I,J间SMISC-27-28OFFST3压力3距节点偏移量SMISC-29-30P4压力4SMISC-31-P5压力5SMISC-32Pseudo Node12345678TEMPLBFE12345678BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) = 3)Output Quantity NameETABLE and ESOL Command InputItemEIIL1IL2IL3JSDIR轴向直接应力LS-16111621SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-27121722SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-38131823SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-49141924SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-510152025EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-16111621EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-27121722EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-38131823EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-49141924EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-510152025SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-13579SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-246810EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-16111621EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-27121722EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变LEPTH-38131823EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变LEPTH-49141924EPTHBZB梁内单元Z面上的弯曲热应变LEPTH-510152025EPINAXL单元初始轴向应变LEPTH26-MFORX单元坐标系中X方向的力SMISC-17131925MFORY单元坐标系中Y方向的力SMISC-28142026MFORZ单元坐标系中Z方向的力SMISC-39152127MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩SMISC-410162228MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩SMISC-511172329MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩SMISC-612182430P1压力1在节点 I,J间SMISC-31-32OFFST1压力1距节点偏移量SMISC-33-34P2压力2在节点 I,J间SMISC-35-36OFFST2压力2距节点偏移量SMISC-37-38P3压力3在节点 I,J间SMISC-39-40OFFST3压力3距节点偏移量SMISC-41-42P4压力4SMISC-43-P5压力5SMISC-44Pseudo Node12345678TEMPLBFE12345678BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) =5)Output Quantity NameETABLE and ESOL Command InputItemEIIL1IL2IL3IL4IL5JSDIR轴向直接应力LS-161116212631SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-271217222732SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-381318232833SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-491419242934SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-5101520253035EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-161116212631EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-271217222732EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-381318232833EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-491419242934EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-5101520253035SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-135791113SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-2468101214EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-161116212631EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-271217222732EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变LEPTH-381318232833EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变LEPTH-491419242934EPTHBZB梁内单元Z面上的弯曲热应变LEPTH-5101520253035EPINAXL单元初始轴向应变LEPTH36-MFORX单元坐标系中X方向的力SMISC-171319253137MFORY单元坐标系中Y方向的力SMISC-281420263238MFORZ单元坐标系中Z方向的力SMISC-391521273339MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩SMISC-4101622283440MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩SMISC-5111723293541MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩SMISC-6121824303642P1压力1在节点 I,J间SMISC-43-44OFFST1压力1距节点偏移量SMISC-45-46P2压力2在节点 I,J间SMISC-47-48OFFST2压力2距节点偏移量SMISC-49-50P3压力3在节点 I,J间SMISC-51-52OFFST3压力3距节点偏移量SMISC-53-54P4压力4SMISC-55-P5压力5SMISC-56Pseudo Node12345678TEMPLBFE12345678BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) =7)Output Quantity NameETABLE and ESOL Command InputItemEIIL1IL2IL3IL4IL5IL6IL7JSDIR轴向直接应力LS-1611162126313641SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-2712172227323742SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-3813182328333843SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-4914192429343944SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-51015202530354045EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-1611162126313641EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-2712172227323742EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-3813182328333843EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-4914192429343944EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-51015202530354045SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-1357911131517SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-24681012141618EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-1611162126313641EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-2712172227323742EPTHBYB梁内单元-Y面上的弯曲热应变LEPTH-3813182328333843EPTHBZT梁内单元+Z面上的弯曲热应变LEPTH-4914192429343944EPTHBZB梁内单元Z面上的弯曲热应变LEPTH-51015202530354045EPINAXL单元初始轴向应变LEPTH46-MFORX单元坐标系中X方向的力SMISC-1713192531374349MFORY单元坐标系中Y方向的力SMISC-2814202632384450MFORZ单元坐标系中Z方向的力SMISC-3915212733394551MMOMX单元坐标系中X方向的弯矩SMISC-41016222834404652MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩SMISC-51117232935414753MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩SMISC-61218243036424854P1压力1在节点 I,J间SMISC-55-56OFFST1压力1距节点偏移量SMISC-57-58P2压力2在节点 I,J间SMISC-59-60OFFST2压力2距节点偏移量SMISC-61-62P3压力3在节点 I,J间SMISC-63-64OFFST3压力3距节点偏移量SMISC-65-66P4压力4SMISC-67-P5压力5SMISC-68Pseudo Node12345678TEMPLBFE12345678BEAM4项目和序号表(KEYOPT(9) =7)Output Quantity NameETABLE and ESOL Command InputItemEIIL1IL2IL3IL4IL5IL6IL7IL8IL9JSDIR轴向直接应力LS-16111621263136414651SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力LS-27121722273237424752SBYB梁内单元-Y面上的弯曲应力LS-38131823283338434853SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力LS-49141924293439444954SBZB梁内单元Z面上的弯曲应力LS-510152025303540455055EPELDIR端部轴向弹性应变LEPEL-16111621263136414651EPELBYT梁内单元+Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-27121722273237424752EPELBYB梁内单元-Y面上的弯曲弹性应变LEPEL-38131823283338434853EPELBZT梁内单元+Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-49141924293439444954EPELBZB梁内单元Z面上的弯曲弹性应变LEPEL-510152025303540455055SMAX最大应力(正应力+弯曲应力)NMISC-13579111315171921SMIN最小应力(正应力-弯曲应力)NMISC-246810121416182022EPTHDIR端点轴向热应变LEPTH-16111621263136414651EPTHBYT梁内单元+Y面上的弯曲热应变LEPTH-27121722273237424752EPTHBYB梁内单元