梁单元轴力图解析：理论、ABAQUS与ANSYS仿真对比

第一篇梁单元的轴力图
 


结构有限元仿真中有两种一维单元：桁架与梁
 
桁架单元：仅承受轴力作用；如二力杆。由于只在轴向承受拉/压载荷，所以只需要定义截面面积；应力和变形均与截面形状无关。ABAQUS 6.14-4中对应单元为truss T2D2；ANSYS 18.0中对应单元为link180。
 
梁单元：可承受轴向拉/压载荷，具有承受扭转和弯曲的能力。由于可承受扭转、弯曲等组合变形，梁单元需要定义截面形状。ABAQUS与ANSYS对应均为beam单元。
 

孙训芳先生的《材料力学》例题2-1：一等直杆及其受力情况如下图，试作杆的轴力图。

由于桁架单元仅能承受拉/压载荷；而梁单元可承受拉、压、弯曲、扭转的组合变形，梁单元可承受的载荷类型更为复杂，故此篇通篇采用梁单元作为分析。
 

理论计算：
 
利用截面法将各段截开， 再利用假设法，杆件受拉为正，受压为负，可以快速得到各段的轴力：
DE段：20kN
 
CD段：-5kN
 
BC段：50kN
 
AB段：10kN

那么，轴力图：

ABAQUS：

1.Part中选择2D planar – deformable – wire，绘制如图尺寸的线段
 

2.Property 建立材料属性，因为本篇中只关注弹性问题，材料只需输入杨氏模量和泊松比，本文采用结构钢材料（本篇仅讨论轴力问题，不涉及应力，变形等问题，与所选材料无关）；建立属性，梁单元需要建立截面属性，此处假设截面为半径为1的圆形截面，（truss单元在ABAQUS中为圆形截面，仅需要设置截面面积）；梁截面需要设置截面方向，点击assign beam orientation 设置截面放置方向。

3.Assembly 对杆单元进行装配
 

4.Step 设置分析步，和材料部分一样，本篇关注弹性阶段，选择通用静力学，不需要打开非线性设置；设置轴力输出，点击field output manager，在F-output-1中选择SF

5.Load 添加载荷，最左端固定，BCDE四点按照题目要求设置集中力，从左往右，分别为
 
-40000N，55000N，-25000N，20000N  

6.Mesh 网格划分及单元类型选择，如下图，布置种子-网格划分-单元类型选择；①单元大小以10分布，②划分网格，③设置单元类型，类型选择beam

7.job提交计算
 
8.visualization后处理查看结果，点击job manager界面的results即可进入结果查看，查看轴力图
 

⦁    将场变量输出设置为SF-SF1

⦁    点击probe value对结果查看，在probe value对话框中，依次选择，查看范围为单元的积分点值，通过选择所有的显示组进行查看，最后输出文件，保存格式为.rpt

⦁    利用UE打开.rpt文件，设置选择范围；开始为第252行，第52列，结束为第381行，第59列，并复制粘贴到Excel B1，在Excel A1输入10，并以10纵向递增（因为单元长度设置为10，以10递增是以代表单元），保存表格。

④将Excel数据复制，在ABAQUS中，create XY data-keyboard-粘贴数据-plot 既得到梁的轴力图

ANSYS：
 
ANSYS workbench与ABAQUS/CAE 一样无法直接输出梁单元的轴力图，需要在APDL中输入才能完成杆单元的生成，现在我们直接在ANSYS经典中完成对杆的轴力图的分析绘制

1.打开mechanical APDL 后，进入偏好设置preferences- 选择structural

2.添加单元类型，add/edit/delete – add – beam – 2 node 188 – OK，添加了单元编号为1的beam188

3.添加材料，material modals – material modal number1 – structural/linear/elastic/isotropic – 输入弹性模量和泊松比，点击OK确定，添加了编号为1的线弹性材料模型

4.添加截面属性，section/beam/common section – sub type中选择圆形截面 – R 中将半径设置为1 - OK，添加了半径为1的圆形截面

5.添加关键点，关键点可以按照施加力的位置添加如下（空白未输入数值的地方默认为0）；modeling – create – keypoints – in active CS – 1（0,0,0）；2（600,0,0）；3（900,0,0）；4（1400,0,0），5（1800,0,0）；建立了5个力值变化的点（1为完全固定约束点）

6.建立线，modeling – create – line – straight line – 依次点击连接关键点1，2，3，4，5 – OK，建立了如下图所示的线段

7.设置单元属性，meshing – element attributes – default attribs-查看设置单元类型为编号1的beam188单元，材料标号为1的线弹性模型，截面编号为1的圆形截面– OK 确定设置

8.手动设置网格大小，meshing – size cntrls – manualsize – line – all line – 为了与ABAQUS保持一致，此处单元大小同样设置为10，在size中输入10 –OK，设置了以10为单元长度

9.对梁划分单元，meshing – mesh – line – 选择所有的线–OK，完成对所有的梁线段的网格划分

10.加载设置，1点设置固定约束，2/3/4/5分别按照各自的力值加载（此处仅以2为例设置，其余自行完成）

⦁    固定约束，loads – define loads – apply – structural – displacement – on keypoints – 选择1点- OK – all dof 所有自由度– displacement设置为0或留空（留空默认为0）-OK

⦁    loads – define loads – apply – structural – force/moment – on keypoints – 选择2点- OK – 方向为FX – 数值为-40000N-OK，完成了2点的力值加载，3/4/5同2步骤一致

11.完成加载就可以求解了，solution – solve – current LS
 
12.读取轴力图

⦁    定义element table，general postproc – element table – define table – add – by sequence num – smisc – smisc，1 –OK，此处smisc后面的编号可以查看帮助文件得知

⦁    输出轴力图，general postproc – plot results – contour plot – line elem res – 选择或已选中smisc1 – OK，完成轴力图的输出

总结：

  ⦁    杆单元与梁单元的区别：杆单元只能承受轴力作用，梁单元可以承受拉/压，扭转，剪切及组合变形；在软件中，杆单元只需要输入截面面积，与截面形状无关，而梁单元则需要定义截面形状；
 
  ⦁    ABAQUS与ANSYS轴力图输出；ABAQUS中不能直接输出轴力图，需要将数据读取后，通过创捷XY曲线进行输出；ANSYS workbench同ABAQUS，无法直接输出；APDL可以通过创建单元表的形式进行轴力图的输出，APDL更直观。
 

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删