ANSYS组合截面截面特性计算方法

1、ANSYS组合截面使用方法

在ANSYS中建立组合截面，并进行截面计算不会给出组合截面的截面特性，而是只给出质心和剪力中心的坐标等信息，如下图所示，因此无法得到BEAM4单元的可用实常数。

CompositeSec Information

在王新敏《ANSYS工程结构数值分析》P191页EX3.2部分，给出了ANSYS中BEAM188\189梁单元使用组合截面的做法和代码，主要思路如下：

  • 建立PLANE82单元，形成截面形状；
  • 选择不同的面赋予不同的材料参数（只是需要定义多个材料参考号，具体的材料特性值可以任意）
  • 网分截面并写入.SECT文件
  • 建立BEAM188\189梁单元时读入上述截面，定义材料参考号（此时材料参考号应与前述画截面时使用的材料参考号一致）
!EX3.2 自定义多种材料截面
finish$/clear$/prep7
Ro=1.5$Ri=1.0
!定义两个半径
csys,1$cyl4,,,ri$cyl4,,,ro 
!设置柱坐标系，创建两个圆面
aptn,all
!作面分割运算
wprota,,90$asbwa,all
!切分面
wprota,,,90$asbw,all$wpcsys
!切分面
et,1,plane82
!定义单元类型为PLANE82
mymat1=4$mymat2=7
!定义两个材料参数，分别赋值4和7
mp,ex,mymat1,1.0$mp,ex,mymat2,2.0
!定义材料参考号，具体特征值可任意
asel,s,loc,x,0,ri$aatt,mymat1,,1
!内部圆面为材料MYMAT1
asel,s,loc,x,ri,ro$aatt,mymat2,,1
!外部环面为材料MYMAT2
allsel$esize,0.25$mshape,0,2d
!定义网格控制、单元形状
mshkey,1$amesh,all
!定义网格划分方式并网分
secwrite,mycsolid,sect
!将截面写入MYSOLID.SECT文件
! 下面准备读入截面并使用
finish$/clear$/prep7
et,1,beam189
!定义单元类型为BEAM189
mym1=4$mym2=7
!定义两个材料参考，此值与MYMAT对应
mp,ex,mym1,3.0e10$mp,prxy,mym1,0.167
!定义材料参考号MYM1和具体特性值
mp,ex,mym2,2.1e11$mp,prxy,mym2,0.3
!定义材料参考号MYM2和具体特征值
sectype,1,beam,mesh
!定义用户梁截面
secread,mycsolid,sect,,mesh
!读入MYSOLID.SECT文件
k,1$k,2,,,10$l,1,2$lesize,all,,,20
!创建关键点和线，及线的网格划分控制
latt,,,1,,,,1
!此处采用了缺省材料参考号，即便指定材料参考号也不起作用
lmesh,all$/eshape,1
!划分网格，打开单元形状
/pnum,mat,1$eplot
!显示单元材料参考号，并显示单元

完成上述操作后，组合截面梁单元建立完毕。可以看出，ANSYS中使用BEAM188\189单元建立组合梁是利用截面文件和材料参考号实现的，而不是简单地给出组合截面的等效截面特性。这样的做法会在大型计算中带来麻烦，因为BEAM188\189单元所需的计算资源更多，计算时长更久。BEAM4单元因为其仅需定义实常数，计算资源更少，效率更高。接下来介绍通过悬臂梁静力刚度法在ANSYS中计算组合截面的等效截面特性的办法。

2、自定义含有多种材料的截面文件

以下述截面为例介绍在ANSYS中计算组合截面的等效截面特性的方法，该截面宽36.0m，高4.76m，钢箱梁顶部有0.2m的混凝土构成组合截面。如下图所示：

Section

1.CAD中分别构建钢和混凝土部分的面域，输出为.sat文件，如test.sat

CAD Region

2.ANSYS中导入.sat文件，查看三个面域的编号

FINI$/CLE$/PREP7
ET,1,PLANE82
!定义单元类型
BTOL,0.003
!布尔运算容差
~SATIN,TEST,sat,,SURFACES,0,1,1
!导入截面
AGLUE,ALL
!粘合面
APLOT
!显示面
/PNUM,AREA,1
!显示面编号

CAD Region

3.同王新敏书介绍的，赋予不同的材料参考号，并输出为.sect文件，如testcomp.sect

!接上文代码
ESIZE,0.02
!网格划分线默认尺寸
MYMAT1=4$MYMAT2=5
!材料参考号为4和5
MP,EX,MYMAT1,3.0e10$MP,EX,MYMAT2,2.1e11
!材料特性值不重要
ASEL,S,AREA,,1,4,3
!选择混凝土面域1和4
AATT,MYMAT1,,1
!赋予MYMAT1材料号
ASEL,INVE
!反选面域
AATT,MYMAT2,,1
!赋予MYMAT2材料号
ALLSEL
MSHAPE,0$MSHKEY,0$AMESH,ALL
!自由网分
SECWRITE,TESTCOMP,SECT
!保存截面为TESTCOMP.SECT

3、悬臂静力刚度法计算等效截面特性

为获得同材料截面主梁的等效刚度特性‚可建立一定长度组合截面主梁有限元模型‚通过悬臂梁单位荷载位移反算得到同材料截面主梁的等效刚度/等效截面特性。

1、材料力学基本公式

材料力学中等截面悬臂梁在端部简单载荷作用下的变形公式有：

  • 梁端部作用轴向集中力时，端部轴向位移与集中力的关系为：

fB=FlEA(1) f_B=\frac{Fl}{EA} \tag{1}

  • 梁端部作用横向集中力，集中力通过横截面扭心/剪力中心时，端部横向位移与集中力的关系为：

fB=Fl33EI(2) f_B=\frac{Fl^3}{3EI} \tag{2}

  • 梁端部作用扭矩，端部扭转角与扭矩的关系为：

ϕB=TlABGIp(3) \phi_{B}=\frac{Tl_{AB}}{GI_{p}} \tag{3}

由上述公式知，可以在ANSYS中建立一定长度的组合截面悬臂梁，在端部施加简单荷载，通过提取端部的位移计算对应自由度方向的刚度/截面特性。以ANSYS中坐标系为例： Ey=Fzl33fBzl(4) E_y=\frac{F_zl^3}{3f_{Bz}l} \tag{4}

Ez=Fyl33fByl(6) E_z=\frac{F_yl^3}{3f_{By}l} \tag{6}

Ip=TlABGϕB(7) I_p=\frac{Tl_{AB}}{G\phi_B} \tag{7}

需要注意，只有当集中力通过横截面剪力中心时，式(2)才是准确的。当有些截面不对称时，集中力若作用在形心或是用户指定偏心位置时，式(2)的计算是不准确的。此时可以通过移动集中力至横截面扭心处或是施加额外约束的方法使截面只沿力作用方向变形，而不会有其他自由度方向的变形，这样式(2)仍然是准确的。

2、ANSYS实现代码

在ANSYS中建立一定长度无自重的组合截面主梁单元，并在端部分别施加简单荷载计算端部位移的代码如下：

这段代码读取D:\TEST\TESTCOMP.SECT文件，建立了划分为100段的总长为2000m(通过一定的参数计算可知，当长度为2000m时计算结果是比较准确的)的悬臂梁，端部荷载为1000。混凝土材料号为4，钢材料号为5，与截面文件定义的一致。更改文件时只需要更改1、2模块的代码即可。

FINI$/CLE$/PREP7
!!1、定义表与文件路径
    !节点位移信息,dx,dy,dz,dtheta
    *DIM,DISP,ARRAY,4,1,1
    !截面特性信息
    *DIM,SECTINFO,ARRAY,4,1,1
    !输入文件位置与名称(不含后缀名.SECT)
    INPUTPATH='D:\\TEST\\TESTCOMP'
    !输出文件位置
    OUTPUTPATH='D:\\TEST\\'

!!以下计算的参考材料特性选择钢,各向同性
!!2、定义基本参数值
    !定义材料特性和材料参考号(与建立截面时一致，特性值需要符合真实材料)
    !C为混凝土，S为钢
    ES=2.05E11
    MIUS=0.3
    GS=ES/(2*(1+MIUS))
    EC=3.45E10
    MIUC=0.2
    MATC=4
    MATS=5
    !总长LL/划分段数NN/端部荷载FF
    LL=20*100
    NN=100
    FF=1E3

!!3、定义材料与几何建模
    !单元类型BEAM188
    ET,1,BEAM188$KEYOPT,1,3,2
    !材料特性值
    MP,EX,4,EC$MP,DENS,4,0$MP,PRXY,4,MIUC
    MP,EX,5,ES$MP,DENS,5,0$MP,PRXY,5,MIUS
    !定义截面类型并入截面
    SECTYPE,1,BEAM,MESH
    SECREAD,INPUTPATH,SECT,,MESH
    !几何建模
    K,1,0,0,0
    K,2,LL,0,0
    K,100,0,1E6,0

    L,1,2
    LATT,,,1,,100,,1
    !材料号缺省
    LESIZE,ALL,,,NN
    LMESH,ALL

    DK,1,ALL
    !固定端约束
    ALLSEL
    FINISH

!!4、求解端部位移
    !轴向力求面积
    /SOLU
    FKDELE,ALL,ALL
    ANTYPE,0
    FK,2,FX,FF
    SBCTRAN
    !将几何模型上的所有边界条件传到有限元模型上
    SOLVE
    *GET,DISP(1,1),NODE,2,U,X
    FINISH
    !竖向力求Izz
    /SOLU
    DK,2,UZ
    !有的截面剪力中心和形心不在同一竖向轴线上
    FKDELE,ALL,ALL
    ANTYPE,0
    FK,2,FY,FF
    SBCTRAN
    SOLVE

    *GET,DISP(2,1),NODE,2,U,Y
    FINISH
    !侧向力求Iyy
    /SOLU
    DKDELE,2,UZ
    DK,2,UY
    !有的截面剪力中心和形心不在同一横向轴线上
    FKDELE,ALL,ALL
    ANTYPE,0
    FK,2,FZ,FF
    SBCTRAN
    SOLVE

    *GET,DISP(3,1),NODE,2,U,Z
    FINISH
    !端部扭矩求Ixx
    /SOLU
    DKDELE,2,ALL
    FKDELE,ALL,ALL
    ANTYPE,0
    FK,2,MX,FF
    SBCTRAN
    SOLVE

    *GET,DISP(4,1),NODE,2,ROT,X
    FINISH

!!5、计算截面特性
    SECTINFO(1,1)=FF*LL/ES/DISP(1,1)!A
    SECTINFO(2,1)=FF*LL**3/3/ES/DISP(2,1)!IZZ
    SECTINFO(3,1)=FF*LL**3/3/ES/DISP(3,1)!IYY
    SECTINFO(4,1)=FF*LL/GS/DISP(4,1)!IXX

!!6、输出成TXT
    *CFOPEN,STRCAT(OUTPUTPATH,'SECTINFO'),TXT
    *VWRITE
    ('Cross-Section Properties')
    *VWRITE
    ('Listed as Area/Izz/Iyy/Ixx')
    *VWRITE,SECTINFO(1,1)
    (F20.16)
    *CFCLOS

3、程序输出文件

上述代码输出文件为D:\TEST\SECTINFO.TXT，本文所选的组合截面计算得到的以钢等效的截面特性如下：

Cross-Section Properties
Listed as Area/Izz/Iyy/Ixx
  2.3038946551068737
  6.8839277864569191
194.0757635365623628
 15.3413951168548728

至此在ANSYS中采用悬臂静力刚度法计算组合截面的等效截面特性方法介绍完毕。

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