UGNX11.0有限元分析基础实战-D梁单元销标志及应用

梁单元的销标志（Pinflag）可以设置端点自由度释放，这一功能常用于模拟运动副。如图7-40所示，单元CBAR1的B端节点和单元CBAR2的A端节点是同一个节点。该节点处是球铰连接，CBAR2以该节点为中心，可绕X、Y、Z三个方向自由转动。只要在CBAR1的B端或者CBAR2的A端设置销标志，释放4、5、6三个自由度，就可以模拟这种球铰连接。

图7-40 球铰连接

假设本章案例的矩形梁，两端分别与竖直的槽形梁铰接，如图7-41所示。可以采用梁单元对该结构整体进行建模，并设置矩形梁两端的销标志来模拟转动铰。下面介绍主要的操作步骤。

图7-41 梁的转动连接

（1）创建仿真文件

1）打开【M0702_转动铰.prt】，进入【前/后处理】模块。

2）右键单击【M0702_转动铰.prt】节点选择【新建FEM和仿真】。

3）在【新建FEM和仿真】对话框中勾选【创建理想化部件】复选框，【几何体选项】中勾选【草图曲线】复选框。选择【解算方案类型】下拉列表框内的【SOL101线性静态-全局约束】选项。将【M0702_转动铰_fem1.fem】文件设为显示部件。创建材料【SteelBeam】，设置参数的方法与7.3中的材料定义方法相同，在此不再赘述。

（2）创建网格点

为了方便将不同的梁在连接处的节点合并，我们可以创建一些网格点。

1）单击工具栏【网格】中的【更多】按钮，选择【网格点】，弹出【网格点构造器】对话框。选择【类型】下拉列表框内的【投影点】选项。【选择对象】为左侧槽形钢梁的轴线，【指定点】选择矩形梁轴线的左端点，如图7-42所示。用同样的方法创建右侧槽形钢梁轴线上的网格点，【指定点】为矩形梁轴线的右端点。

2）在中间矩形梁轴线的中点上，也创建一个网格点，方便后面在这个点上施加载荷。单击【网格点】按钮，选取【类型】下拉列表框内的【在曲线上/在边上】选项，【选择对象】为矩形梁的轴线，在【U向参数】参数框内输入【0.5】（表示中点），单击【确定】按钮。隐藏掉实体和无关的草图，建好的3个网格点如图7-43所示。

图7-42 创建左侧的网格点对话框

图7-43 创建的3个网格点

（3）划分网格

1）单击【1D网格】按钮，选择中间轴线，对中间矩形梁的轴线采用【CBAR单元】划分网格，即选取【类型】下拉列表框内的【CBAR】选项，选取【网格密度选项】下拉列表框内【大小】选项，【单元大小】参数框内输入【20mm】。

2）单击【新建收集器】按钮。选择材料为【SteelBeam】，选择矩形梁截面如图7-44（详细操作步骤请参阅前面相关内容，在此不再赘述）。

3）对于左侧的槽形钢梁轴线，单击【1D网格】按钮，【类型】下拉列表框内为【CBEAM】选项，网格大小不变，单击【新建收集器】按钮，选择材料【SteelBeam】，选择槽形钢梁截面如图7-45所示。

图7-44 【矩形梁截面】对话框

图7-45 【槽形钢梁截面】对话框

4）最后，划分右侧的槽形钢梁轴线的单元方法，也采用【CBEAM单元】类型，网格收集器取消勾选【自动创建】复选框，而是选择前面已经创建的【BeamCollector（1）】。

5）工具栏【实用工具】选择【更多】选项，单击【模型显示首选项】按钮，弹出【模型显示】对话框，【节点】选项卡的【标记类型】改为【实心圆】，【颜色】改为【蓝色】，如图7-46所示，单击【确定】按钮。【仿真导航器】窗口的结构树及图形区的节点显示，如图7-47所示。

（4）编辑梁显示

分别右键单击【Bar Collector（1）】节点和【Beam Collector（1）】节点，选择【编辑显示】选项，在弹出的对话框中选取【显示截面】下拉列表框内的【实体】选项，得到图7-48所示的梁单元效果。

（5）调整梁的方位

把之前隐藏的几何实体显示出来，发现两侧槽形梁的截面方向与几何模型不一致，需要调整。

1）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【Beam Collector（1）】节点下的【1dmesh（2）】节点，选择【编辑网格相关数据】选项。

2）调整单元坐标系的方向，选取【单元轴】下拉列表框内的【Y轴】选项，【指定矢量】选择为【-Z】。然后，设置截面偏置，在【A端】下面【指定截面上的点】后面，单击【拾取截面上的点】按钮。

图7-46 【模型显示】对话框(www.xing528.com)

图7-47 完成后的网格效果

图7-48 梁单元以实体显示

3）在弹出的预览图中选择截面草图右下角的点→按下鼠标中键确认→指定截面位置→选择几何实体中对应的点。操作方法如图7-49所示，使得左边的槽形梁与模型方向一致（右边槽形梁详细操作步骤与左边一样，在此不再赘述）。最终得到图7-50所示的梁单元。

图7-49 【网格相关数据】对话框

图7-50 调整好的梁单元

（6）设置销标志，模拟转动铰

在【仿真导航器】窗口中，右键单击【Bar Collector（1）】节点下的【1d mesh（1）】节点，选择【编辑网格相关数据】选项。选取【将销标志应用于】下拉列表框内的【链的结束节点】选项，【销标志-A端】和【销标志-B端】都将【DOF6】改为【开】，其他不变，如图7-51所示。

提示

这里【将销标志应用于链的结束节点】，意思是A、B端是所选网格的起点和终点，即中间矩形梁的两个端点。如果选择【将销标志应用于每个单元】，则A、B端是每个单元两端的节点。销标志释放DOF6的自由度，表示端点可以绕着单元坐标系的Z轴转动。

图7-51 【网格相关数据】及其销标志设置

（7）合并节点

从模型上可以看出：3根梁的轴线存在两个交点，而这些交点处的节点并没有重合。在【仿真导航器】窗口中右键单击【1D收集器】节点，选择【全部检查】后面的【重复节点】选项。弹出的对话框中，在【公差】参数框内输入【0.1mm】，然后单击【列出节点】按钮，信息窗口显示有两处节点重复。最后单击【合并节点】按钮，关闭对话框。这样就将轴线交点处的节点合并了。

提示

前面在这些交点处进行设置网格点的操作，就是为了划分网格时在这些网格点上产生节点，便于这里进行节点合并的操作。

（8）设置边界条件

将【M0702转动铰sim1.sim】文件设为显示部件。在两侧梁的底部创建【固定约束】；在中间梁的中点创建【力】的载荷，在【大小】参数框内输入【10000N】，【方向】为【-Y】。施加的边界条件如图7-52所示。

（9）设定输出请求

右键单击【Solution1】节点，选择【编辑】选项，单击【输出请求】后面的【编辑】按钮，选择【力】，勾选【启用FORCE请求】复选框，如图7-53所示。

图7-52 边界条件设置

图7-53 编辑输出请求

（10）查看结果

求解完成后，查看槽形梁单元的位移及应力结果。

可以重新做一个分析方案，不使用销标志，其他设置都与本案例相同（具体操作在此不再赘述）。然后将两者的结果进行对比，各自的位移云图如图7-54和图7-55所示，可以发现两种方案表现出不同的变形模式。在工程应用中，应该根据实际情况决定是否采用销标志。

图7-54 采用销标志的梁单元位移云图

图7-55 不采用销标志的梁单元位移云图