UGNX11.0复杂截面梁有限元分析

前面提到，如果梁横截面的剪切中心不与中性轴重合，就不能采用CBAR单元，而要采用CBEAM单元。假设本章案例中梁的截面为槽形（模拟槽钢结构），采用CBEAM单元，重新进行分析。

（1）修改几何模型

1）将【M0701矩形梁.prt】文件设为显示部件，在主页上的【应用模块】单击【建模】按钮，进入建模界面。

2）单击【草图】按钮，【草图类型】在平面上，选择YZ平面所在的梁的端面，如 图7-31所示，单击按钮画矩形，矩形右侧与梁的边线重合，尺寸如图7-32所示。单击【完成草图】按钮，退出草图。采用【拉伸】求差，从矩形梁中挖掉草图拉伸体，得到图7-33所示的槽形梁。

图7-31 草图平面

图7-32 矩形尺寸

图7-33 槽形梁实体模型

（2）修改网格模型

1）进入【前/后处理】模块，将【M0701_矩形梁_fem1.fem】文件设为显示部件。

2）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【BarCollector（1）】节点下面的【1d_mesh（1）】节点，选择【编辑】选项。选取【类型】下拉列表框内的【CBEAM】选项，其他不变，如图7-34所示，然后单击【确定】按钮。

这时【仿真导航器】窗口中自动增加【Beam Collector（1）】节点，原【Bar Collector（1）】节点下面的【1d_mesh（1）】网格也自动移到【Beam Collector（1）】节点下面。

3）右键单击【Beam Collector（1）】节点，选择【编辑】选项，在【梁属性】PBEAM1后面，单击【编辑】按钮后，单击【显示截面管理器】按钮，然后单击【创建梁的截面】按钮，选取【类型】下拉列表框内的【CHAN】选项，输入截面的各个尺寸，如图7-35所示。

4）单击【评估截面属性】按钮，查看截面属性信息，如图7-36所示，然后单击【确定】按钮。关闭梁截面管理器，回到PBEAM梁属性对话框，选取【材料】下拉列表框内的【SteelBeam】选项，然后单击【确定】按钮。

5）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【Beam Collector（1）】节点，选择【编辑显示】选项，【颜色】改为【灰色】，选取【显示截面】下拉列表框内的【实体】选项，单击【确定】按钮。这时，梁单元以实体方式显示出来。对比梁单元和几何模型，发现它们的位置并不一致，如图7-37所示。NXNASTRAN梁单元坐标系的原点，默认为截面的剪切中心。而槽形梁截面的剪切中心在截面的外侧，所以会出现梁单元偏离几何模型的情况。

假设剪切中心距离应力恢复点F的距离为e，只要把梁单元向左偏移b/2+e的距离，就可以使梁单元和几何模型重合。其中，b/2=20mm，e等于多少？从图7-36和图7-37截面属性可知，F点的z坐标F（z）=12.65mm，剪切中心的坐标为（0，0），所以e=12.65mm。因此需要将梁单元向左偏移32.65mm。

6）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【1dmesh（1）】节点，选择【编辑网格相关数据】选项，在【截面偏置】下勾选【B端偏置=A端偏置】（默认）复选框，在【A端】下面【沿截面Z轴偏置】参数框内输入【-32.65】，单击【确定】按钮。这样，梁单元的位置就和几何模型重合了。

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图7-34 【1D网格】对话框

图7-35 【梁截面】对话框

图7-36 槽形梁截面属性

图7-37 梁单元偏离几何

（3）修改仿真文件

1）将【M0701_矩形梁_sim1.sim】文件设为显示部件。

2）在【仿真导航器】窗口中【约束】下的【UserDefined（1）】节点和【载荷】下的【Force（1）】节点前面都有一个失效符号，说明之前创建的边界条件失效了。由于重新划分了网格，需要重新定义这些边界条件。

3）双击【UserDefined（1）】节点，【选择对象】选择梁两端的节点。双击【Force（1）】节点，【选择对象】选择梁正中间的节点（编号51）。

（4）求解计算并查看结果

1）重新求解并进入后处理界面，可以查看到梁单元的位移最大值为11.7mm，【XX方向】正应力最大值为271.7MPa。

2）查看【梁横截面视图】，正应力分布如图7-38所示。

3）查看【梁合力-单元-节点】节点下的扭矩【MXX】，得到梁上绕x轴的扭矩，如 图7-39所示。该扭矩正好等于梁所受的剪力（5000N）乘以端点偏置（32.65mm）。如果端点偏置为零，则梁上的扭矩也为零，表示当横向力通过剪切中心时，梁不会发生扭转。

图7-38 截面上的正应力分布

图7-39 梁受到的扭矩