HyperMesh宝典：梁单元设计与应用全攻略

无论是在前处理还是求解器层面梁单元 都比上一讲介绍的杆单元 复杂。

杆单元只需要定义材料、截面面积和扭转常数。

但梁单元必须定义材料、截面面积、扭转常数、截面惯性矩 、惯性积 、截面定位方向、节点偏置 、自由度释放 等参数。

在OptiStruct 中的梁又可以分为CBAR 各CBEAM 两种，CBAR是简单梁，CBEAM是复杂梁。

两者的主要区别如下 ⬇

1. CBAR单元只支持一个截面，即不能模拟变截面梁。

2. CBAR单元的剪切中心与中性轴重合，即截面形状必须是轴对称的，常见的比如L型标准截面梁和汽车的A柱B柱等非标准截面梁都是非对称的，必须采用CBEAM。

CBAR和CBEAM的卡片如下 ⬇

CBEAM还有一些可选的卡片项

用户可以分别为偏置和定位矢量选择坐标系

梁单元的单元坐标系如下图所示 ⬇

上图中：GA和GB是模型中的节点，根据偏置值得到最终计算使用的梁单元节点位置End A和End B。

梁单元的单元坐标系按照以下方法确定 ⬇

x轴方向为End A指向End B

xy平面由x轴以及用户输入矢量v确定，v矢量有多种输入方式（目的都是定义一个矢量方向）

z轴方向根据x，y轴方向使用右手定则（叉乘）确定

创建梁单元并赋予对应的属性后HyperMesh 可以实时显示单元的3D形状、方位、偏置等信息。一般而言，只要梁单元3D显示和实体几何完全一致，模型就建对了。简单点说—所见即所得。

打开3D显示前的梁单元可能是这样显示的 ⬇

打开工具栏上的下面这个图标后，梁单元瞬间就变成3D了。

梁单元创建的主要界面在1D > bars面板，但是也可以通过其它方法直接得到梁单元：

本例中的CBEAM（梁）单元截面完全在梁单元以外。原因是CBEAM单元默认在剪切中心创建，而HAT截面的剪切中心刚好位于几何以外。

在实际建模时需要设定合理的偏置（offset）值才能使截面3D显示和几何重合从而使计算准确，本文的视频中有操作演示。

梁单元和杆单元等1D单元一样，都可以通过节点、曲线、2D单元、3D单元等创建。

例1. 从曲线创建梁单元

HyperMesh中有很多创建曲线的方法，例如要从曲面上直接长出一些法向曲线 ⬇

只需要在lines面板的Normal From Geometry按钮（子面板）直接创建

结果如下：

接下来我们用一个梯子的模型来演示。

原始模型只有几条几何曲线 ⬇

完成后的模型（局部）如下 ⬇

Step1. 导入CAD模型

Step2. 在Model Browser右键菜单中创建材料

Step3. 在Model Browser右键菜单中创建标准矩形截面并输入参数

Step4. 创建标准圆形截面并输入参数

Step5. 创建矩形梁属性

这里可以选择PABAL或者PBAR，区别是PABAL可以直接为尺寸优化提供优化的设计变量。

Step6. 创建圆形梁属性

Step7. 在面板区1D > elem types面板将默认单元类型切换为CBAR

Step8. 创建shortbeam comp并划分网格

结果如下 ⬇

Step9. 创建longbeam comp并划分网格

为了和shortbeam的节点融合，需要使用shortbeam中的节点进行下一步的梁单元创建。

先使用nodes面板在longbeam的线端点各创建一个点

然后在linemesh进行1D网格划分，

局部结果如下 ⬇

例2. 从两片对应的2D单元创建梁单元

Step1. 打开2D网格

Step2. 进入面板区1D > linear 1D进行梁单元创建

结果如下 ⬇

例3. 从2D单元的边界创建梁单元

Step1. 打开2D单元模型

Step2. 在面板区的2D > Detach面板分离2D单元

（也就是把原先共节点的2D单元变成不共节点，结果是在原先的每个节点处为每个单元都复制出了一个节点）

Step3. 在自由边位置生成1D单元

工具位于面板区Tools > edges

Step4. 在以上面板点击preview equiv预览要合并的节点

然后点击equivalence按钮进行节点合并

Step5. 删除重复单元

工具位于Tool > check elems，点击duplicates后会显示重复的1D单元。

注意到除了瓶口位置外的所有1D单元都有重复。

点击上述面板的save failed进行保存。

Step6. 使用面板区Tool > delete面板删除重复单元

这里只需要再次点击elems后选中retrieve即可全部选中刚才保存的那些重复单元，然后点击右侧的delete entity按钮完成删除。

实际上以上操作也完全可以在3D单元上进行。

（请参考如下视频 ⬇）

03:03

另外，在航空工具里面提供了一个更加高级的工具可以沿着2D模型的不同方向直接生成带不同截面的梁单元。

例4. 类飞机GFEM模型的梁单元建模

Step1. 打开2D模型

里面有圆柱坐标系、2D单元、几何

Step2. 将user profile切换到Engineering Solutions > Aerospace > OptiStruct

Step3. 打开下拉菜单

设置如下 ⬇

得到的梁单元如下 ⬇

有部分截面的显示方向不一致，原因是这些梁单元的n1和n2的顺序反了，需要调整一下。

脚本内容如下 ⬇

tcl文件下载链接 https://pan.baidu.com/s/1gpPxbL9O8undJHw7EzV9hA

运行脚本后会要求选择需要调整方向的梁单元

运行结果如下 ⬇

例5. 杆单元和梁单元的转换

梁单元网格也可以通过杆单元模型直接转换得到。比如上一讲中的C60杆单元模型。

Step1. 打开杆单元模型

Step2. 在面板区的1D > elem types将梁的单元类型设置为cbar

Step3. 在面板区的config edit面板将crod单元转为bar2单元

结果如下 ⬇

创建梁的材料，截面和属性。

Step3. 更新梁单元的定位矢量（这里使用球心的节点来定位截面）和属性

Direction node选中球心位置的一个节点

点击update后选中如下选项

结果如下：

✴ 一般而言梁单元的计算精度比同等尺度的体单元更高，可以使用比2D/3D单元更大的单元尺寸，但是如果需要梁单元也是可以细化的。

Step1. 将User Profiles切换为Engineering Solutions > Aerospace >OptiStruct

Step2. 打开下拉菜单Aerospace > Beams >Split 1D Elems

例6. （RBE2/RBE3）与梁单元的相互转换

在上一讲已经介绍了RBE2与RBE3相互转换的方法，所以这里只需要考虑RBE2与梁单元之间的转换

不过这里没有什么软件界面可以介绍的，直接运行下面的脚本可以完成转换

tcl文件下载链接 https://pan.baidu.com/s/1wRlpUso6-SqymTxB3iBUgw

效果如下 ⬇

开始时是6个可爱的RBE2单元小球球

运行脚本后放大看都变成了梁单元