Ansys Workbench工程实例之——梁单元静力学分析

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梁单元常用于简化长宽比超过10的梁与杆模型，比如建筑桁架、桥梁、螺栓、杠杆等。Workbench中的梁单元有Beam188（默认）与Beam189两种，Beam188无中节点，Beam189有中节点。在全局网格设置下，梁单元的中节点设置Element MIdside Nodes默认为dropped(无中节点），即默认使用Beam188单元，如果改为kept(有中节点)，则将改变为Beam189单元。

1 梁单元分析概要

1.1 建模与模型导入

线框模型可在DM中创建，也可导入stp/igs等模型。以下分别介绍通过DM创建与通过CAD软件创建导入过程。

1.1.1 梁线体的创建

方法1，简单的线体模型可以在DM中创建，一般在XY平面绘制草图或点，再通过Concept——Lines From Sketches、Lines From Points或3D Curve等创建。

区别在于Lines From Sketches是提取草图所有的线条，如果线条是相连接的，提取的结果为一个线几何体。

Lines From Points或3D Curve用于将草图的点（可以是草图线条的端点）连接成为线体，结合Add Frozen选项，可以创建多个线几何体。

多个线条可以通过From New Part功能组合为一个几何体，组合后两条线共节点，相当于焊接在一起。

方法2，通过CAD软件创建后导入。

如果读者使用的是creo建模，可在草图中创建点，退出草图后选择基准——曲线——通过点的曲线。

输出时需要注意，可另存为stp或igs格式，在输出对话框中必须勾选基准曲线和点选项。

如果读者使用Solidworks建模，可直接在草图中创建线段，退出草图后另存stp或igs，此时需要在另存选项中勾选“线框”和“输出草图实体”。

然后通过Workbench的分析项目导入，右击Geometry——Import Geometry——Browse...导入模型。项目属性中的Geometry属性中必须勾选Line Bodies选项。

另外，复杂的框架模型可导入实体模型，然后通过SC实现快速抽梁线与合并顶点等操作，这将在实例6中详解。

1.1.2 梁截面的定义

在DM软件中，点击Concept——Cross Section选择预定义的截面形状，并修改尺寸。绿色箭头为截面主方向。

赋予截面：选择特征树中的线体，即可为线段赋予截面。

显示梁形状与方向：勾选View——Cross Section Solids可显示杆梁图形，勾选View——Cross Section Solids可显示梁线体截面方向，绿色箭头为主方向。

若要更改截面方向，可选中线体（选择前先选中工具栏线过滤器），在属性中修改。

当Alignment Mode选择Selection时，可在Cross Section Alignment 中选择线体主方向即绿色箭头要对齐的对象。当Alignment Mode选择Vector 时，可在Alignment X/Y/Z后设置数字，数字0表示不对齐此方向，数字1表示对齐此方向。Rotate表示绕蓝色箭头旋转的方向，Reverse Orientation表示蓝色箭头反向。

1.2 线体之间的连接关系

1.2.1 设置铰接

在DM中，如果多段线组成一个线体，或者多个独立的线体通过From Nem Part组合，那么它们的连接处相当于焊接在一起（刚性连接）。实际工况中，梁体之间有可能是铰接关系，如何处理呢？

（1）对于刚性连接，需要通过End Release释放线体的末端自由度。

在Mechanical中，添加接触组Connections，在接触组中添加末端释放End Release，在属性中分别选择顶点和线段，再设置释放哪个方向的自由度(梁单元有6个自由度)。

（2）如果是多个未组合的独立线体，在Mechanical中，可通过添加Joint节点添加关系，就算各个线体的端点相互分离，也可通过Joint添加连接。

选择特征树Connections，在工具栏选择Body-Body——Revolute（转动），在属性中分别选择两条线段的端点，便创建了铰接点。如果两个端点重合不好选择，可以拖动工具栏Explode Group将模型爆炸开。

1.2.2 连接误区

由于默认情况下梁只在两端有节点，中间无节点，所以不同线体之间通过T形或十字的连接将在计算中出错。

如下图H梁由三条线体通过From New Part组合而成。通过DM软件中View——Display Vertices或Mechanical工具栏的Show Vertices可看到线体的节点，此时隐藏横梁，可以看到两端的竖梁在中间连接处未创建节点。

固定下端两点，在横梁上施加图示的力。

若零件是通过DM的From New Part组合的多线体零件，在计算中将报错且不能计算出结果。

若是在Mechanical中，通过Joint的Body-Body——Fixed创建横梁端点与竖梁的刚性连接，计算出得结果也是不正确的。

解决方法如下：

若是几个梁是截面相同的材料，可以创建为一个线体。

若几个梁截面不同，则不能创建为一个线体，必须创建为多个线体，再赋予不同的截面。

T形连接处可通过DM中的Tools——Connect建立连接节点。在connect属性中，Edges中选择要连接的线体，连接公差Tolerance默认设置0.1mm，Location(位置)与T-Junction(T形相交)均设置为Interpolate(插值)，表示若有间隙，则两者向中间插值移动，Merge Bodies(合并几何体)设置为No(若设置为YES，则将合并为一个线体)。经过创建连接节点处理后，还需要对几条线体进行From New Part组合(或者在Mechanical中通Body-Body——Fixed创建Joint连接)。

此时再次查看节点如下图，可见在竖梁连接处出现了新节点

以上方法仅仅对T形连接管用，对十字连接无法处理，十字连接的梁可通过DM中Concept——Split Edges分割线体，但是Split Edges不能使用一条线体分割另一条线体，而只能通过输入参数分割，这带来了很大的不便。

以下介绍SpaceClaim中如何快速处理梁的T形连接与十字连接。

在Workbench主界面，右击项目中的Geometry——Edit Geometry in SpaceClaim...

在SpaceClaim中，选中顶部文件夹，设置属性中共享拓扑：共享(也可设置为合并)，便创建了耦合点。当设置为组时，效果与DM中的From New Part相同。

通过SpaceClaim共享拓扑功能，既能处理T形连接又能处理十字连接。

在Mechanical通过工具栏的Show Vertices可看到线体的节点如下图。

1.3 边界条件

线体有6个自由度，即沿XYZ的移动与转动。下表为常用约束所限制的自由度数量。

注意，简单约束Simply Supported+固定旋转Fixed Rotation=固定约束Fixed Support。

很多时候，分析梁单元是在2维工况下，所以需要限制梁的另外两个方向的转动。比如下图，三条梁通过端点Body-Body——Revolute创建的Joint铰接，除了A处竖直梁的固定约束与B处端点的受力外，还需要限制水平梁和斜梁在X和Z方向的转动自由度。

1.4 结果后处理

1.4.1 Beam Tool

默认情况下，梁的应力结果不能通过Stress工具添加，而是需要通过Tool——Beam Tool添加，可添加的结果有：

Direct Stress：直接应力，即轴向拉伸或压缩应力。 Minimum Bending Stress：最小弯曲应力，与最大弯曲应力相反(绝对值相同，正负相反)。

Maximum Bending Stress：最大弯曲应力。 Minimum Combined Stres：最小组合应力≈最小弯曲应力+直接应力。 Maximum Combined Stress：最大组合应力≈最大弯曲应力+直接应力。

需要说明的是，Beam Tool不能添加切应力（扭转切应力或弯曲切应力）结果，因为梁弯曲中，切应力比弯曲应力小得多，所以对梁的评价后处理中常常忽略，而使用组合应力作为评价对象。

但是在扭转杆梁中，主要应力是扭转切应力，便无法通过Beam Tool添加，处理方法将在1.4.3中详解。

如果在DM中创建的截面不是软件预定义的，而是通过用户自定义的(DM中Concept——Cross Section——User Defined)，结果后处理中便没有Beam Tool选项，此时需要通过Mechanical的工具栏中的Worksheet工具添加，梁的各应力结果在表中如下。右击需要添加的选项——Create User Defined Result便创建了相应结果。

1.4.2 Beam Results

在Beam Results工具中，可添加轴向力、弯矩、扭矩、剪力、剪力与弯矩图等。其中剪力与弯矩图是建立在路径上的。相关功能将在实例中详解。

1.4.3 Stress

默认情况下，梁的应力结果不能通过Stress工具添加。若要通过Stress工具添加等效应力、切应力等结果，用户只需要设置截面结果选项，设置方法如下：

选中特征树中的Solution，在属性窗口找到Pose Processiong项目下的Beam Section Results，参数修改为Yes即可。Stress各项含义请参考《Ansys Workbench之Mechanical——结果后处理》一文。

1.5 用梁单元模拟螺栓连接

螺栓连接不用建模，而使用梁连接代替，梁单元截面半径即为螺杆的半径。在Mechanical的边界条件中可以对梁连接添加螺栓预紧力Bolt Pretension。具体操作将在下文实例5中详解。

添加预紧力如下图。

在Ansys18之前的版本，不能对梁连接施加螺栓预紧力。用户可在DM中建立线体，截面选择圆形，半径为螺栓半径。然后在Mechanical中通过joint建立梁线上下端点与连接面或边的Fixed刚性连接。边界条件中对梁线添加螺栓预紧力Bolt Pretension。本文不做详解，读者若感兴趣可自行操作。

2 实例详解

未完待续