CAE前处理 | 框架模型 | 属性赋予

前文回顾：

CAE前处理 | 框架模型 | 流程

CAE前处理 | 框架模型 | 获取骨架

CAE前处理 | 认识网格4：选择合适的网格密度(梁_静刚度)

对于框架模型前处理的主要流程是：获取骨架→网格划分→属性赋予，前文分别就骨架获取以及网格划分进行了较为详细的阐述，本文主要就属性赋予部分进行说明。

需要注意的是：①1D单元种类较多，本文仅以其中最为常见的cbeam单元进行描述 ②正常模型属性有材料属性以及单元属性，本文主要对单元属性进行阐述 ③文章内容基于HyperMesh平台，OptiStruct求解器

如图所示，正常梁单元由主骨架+虚拟截面构成，而梁单元的属性主要包含截面形状，截面方向，截面偏置以及自由度释放。

简单来说，截面形状描述了梁单元截面的形状及尺寸，截面方向指定了从截面坐标系→单元坐标系的转换，截面偏置表达了截面偏离剪切中心的距离，自由度释放定义了梁单元端部节点不进行传递的内力。上述各个部分在HyperMesh中的1D→bars→update中可以便捷的赋予：

• 库截面

结构求解器一般都带有自己截面库，也就是我们常说的标准截面类型，如图为OptiStruct截面库支持的标准截面，这类标准截面的创建需要使用Hyper Mesh中的截面创建工具HyperBeam：

创建好截面之后，退出HyperBeam可以在模型树中找到刚刚创建的截面属性，并且能直接对尺寸进行编辑：

• 自定义截面

当然很多时候，除了标准截面之外还经常遇到各种异形截面。正常来说个人建议通过截面数据转换到具有等效性质的标准截面，这样后处理以及求解器之间的传递会更加容易，但是毕竟等效会因人而异并且带来一定误差，因此有时候还是需要创建自定义截面。

自定义截面的创建同样在HyperBeam工具中进行，可以直接如上图使用1D或者2D截面网格创建，也可以直接在HyperBeam绘制截面点生成，如图所示为通过2D截面网格创建的铝型材截面：

这样，将建立的截面属性赋予给梁骨架，即可得到如果所示的具有自定义截面的梁单元：

注意：使用OptiStruct库截面时，截面属性类型为Pbeaml，l代表library也就是库的意思，而自定义截面由于不属于库截面，因此截面属性类型为Pbeam，两者混用很可能报错或者应力输出不合理。

当截面形状定义完成之后，需要确认截面在三维空间的朝向与实际方向一致。通过材料力学可以知道，梁的刚度与截面受载方向的惯性矩息息相关，同一加载方向下，不同的截面朝向对应梁的刚度可能会有巨大的偏差，因此正确定义梁的朝向非常重要。

大部分结构分析求解器中，梁单元的朝向都是通过单元坐标系定义，在OptiStruct中截面坐标系和单元坐标系方向一致，如图所示C型截面及在有限元模型中的显示：

那么怎么正确定义梁单元坐标系呢？下面通过一个简单图示和大家说明下梁单元坐标系的定义过程：

大致可以分为四个过程：

①创建梁骨架，梁单元端点的连线就是单元坐标系的X方向

②定义方向矢量

③X方向叉乘方向矢量得到Z方向

④Z方向叉乘X方向得到Y方向

除了方向矢量可以人为改变外，其余所有的步骤都是根据单元建立以及计算方法确定下来的，因此，梁单元坐标系的创建最为关键的就是方向矢量的定义。

正常来说，方向矢量可以通过全局坐标系，矢量，面法向以及方向节点定义，不同定义方法需要根据模型的特点进行合适的选择：

仔细观察左侧模型，所有Z轴均朝上，因此直接定义Z方向一致比较方便；观察右侧模型，除了梁周向平行外，其余方向都是圆周分布特征，而Z方向均指向圆心，因此直接根据方向节点定义更为方便；对于更加复杂的截面朝向，需要直接通过矢量进行定义。

由于有限元建模各方面的考虑，梁骨架和截面剪切中心并不重合时，需要进行截面偏置才能合理的描述梁的力学行为。

如图，截面偏置前，由于梁骨架均在同一平面中，因此两个方向的梁单元虚拟截面是相互交叠的，与实际情况并不符合，这个时候需要根据实际情况将对应的截面偏置到实际位置，这一操作在1D→ bar2→ offset中实现：

其中offset a表示梁单元A端节点的偏置量，offset b表示梁单元B端节点的偏置量，该偏置量为绝对偏置量，可以定义在节点坐标系/单元坐标系方向进行。

装配体中经常涉及到各种连接关系，对应到有限元就是各种力的传递方式，其中比较常见的就是刚接和铰接。如图所示，对于刚接接头，连接点不发生相对变形和转动，而对于铰接接头，连接点可以发生相对转动。

正常建立这种力的传递关系可以使用自由度释放，耦合单元，运动副等方式，对于梁单元来说，通过自由度释放方式建立铰接关系通过1D→ bar2→ pins实现：

其中pin a代表A端节点的自由度释放，pin b代表B端节点的自由度释放，123456分别代表释放的自由度，如上图设置pin b=6表示释放B端节点的绕Z轴转动自由度。

梁单元的这种性质，使其在模拟销轴等结构上也比较方便。

• 截面干涉

初次使用梁单元的伙伴通常会有这个疑惑：打开虚拟截面之后发现模型之间有干涉，这个对分析精度影响大么？会引起接触问题么？

对于这两个疑惑，首先个人观点是：确实会一定影响精度，但是由于梁的截面相对于长度方向占比不大，由于干涉导致的材料以及刚度过余影响较小。

其次，由于梁的截面只是一种虚拟的属性，正常计算的时候会折算成刚度带入梁单元矩阵中，最后通过内力再外推截面应力，因此这种交接位置的干涉并不会产生接触穿透问题。

• 截面不显示

有些时候明明打开了梁截面开关，却发现并不显示虚拟截面，只是显示一堆坐标系，造成这种原因主要有几种：

①HyperMesh中只有通过HypeBeam创建的库截面才能显示，通过直接选取type设置的截面不具有显示效果，但是可以正常计算

②检查模型树是否正常赋予了截面属性

③大部分情况下造成这种原因是截面默认方向与梁走向一致导致的错误，一般正常更新一遍截面方向即可

• 偏置错位

对于需要偏置的梁单元，有时候会发现没有偏置前虚拟截面显示正常，一旦增加偏置属性截面就开始错乱，有的往里偏置，有的往外偏置，这是由于梁的X方向刚好相反导致的坐标系相反，可以通过tool→ orientation→ align修正：