Abaqus - 任意形状梁横截面建模
本文摘要：（由ai生成）
在Abaqus仿真中，梁单元是细长结构建模的高效选择。本文展示了使用二维翘曲元素网格化梁横截面，并通过关键字生成截面属性文件的方法。通过与实体单元和壳单元模型对比，验证了梁单元模型在位移和应力上的一致性，并强调了其计算效率优势。研究指出，网格梁横截面技术是获得复杂结构准确结果的关键。
在仿真分析中，遇到细长结构时，可以使用三个方法建模，每个方法的计算效率都比前一个更高：
使用连续实体单元对结构进行建模（更简单的方法）。
只要可行，就使用壳单元，特别是对于可以是中间曲面的空心梁结构。
利用梁单元建模，将梁结构建模为线。
如果您选择第三种替代方案，您的分析将显着提高效率，因为与连续实体单元相比，梁单元的自由度要少得多。
因此，必须提供横截面属性才能定义这些元素。这使得 Abaqus 能够计算梁的刚度和惯性属性。然而，在处理具有任意横截面形状的梁时，不能选择在 Abaqus 中使用预定义的横截面。
在这种情况下，网格梁横截面可以发挥作用。在本文中，我们将完成对任意形状的横截面进行建模所需的步骤并验证结果。
模型
下面的模型由四根垂直梁组成，由两块板围成，中心有一块切割板围绕梁成形。与模型相邻的是它的网格，尽管几何形状相对简单，但相当精细。板和垂直梁的全厚度中需要三个单元，总共需要 219,837 个单元。很明显，为什么使用实体元素并不是最好的方法。下图显示了模型的几何结构，其中垂直梁和架子与实体连续体单元啮合。
为了评估梁单元的准确性，将运行三个模型。在每个模型中，将使用实体连续体单元、壳单元和梁单元来模拟垂直梁。另一方面，由两个板和一个中间切割板组成的三个架子将被建模为所有三个模型的壳单元。
梁的横截面（如下所示）很简单，但不是 Abaqus 预定义横截面形状的一部分。预定义选项中的长方体横截面可用于估计此形状，但不会考虑圆角，因为它是具有 90 度锐角的矩形形状。
要使用此横截面形状，梁横截面应使用二维翘曲元素进行网格划分。Abaqus 根据该网格计算梁横截面属性，包括轴向、弯曲、扭转和横向剪切刚度，以及质量、旋转惯量和阻尼属性，以及质心和剪切中心的位置。然后，这些横截面属性将被写入名为 jobname.bsp 的文本文件中。
步骤
要获取横截面属性并将其写入 jobname.bsp 文件，请按照以下说明操作：
使用二维单元对横截面进行网格划分。
分配一个简单的弹性材料。
实例化零件并写入输入文件。您不需要添加任何载荷或边界条件，因为此处使用的过程将手动添加到输入文件中。
在 input 文件中添加以下关键字:
*Step, perturbation
*Beam Section Generate
*End Step
运行此命令将生成 jobname.bsp 文件，然后您可以将其作为梁单元的截面属性包含在分析中。因此，在输入文件中，您将添加：
*Beam General Section, elset=SetName, section=MESHED
*Include, input=jobname.bsp
结果
对中间切割板均匀施加10MPa的压力，固定底板。梁与切割板相交的点与板的切口在运动学上耦合。梁的顶端和底端也分别与顶板和底板连接。
下面的动画从左到右分别说明了实体、壳和梁单元的存在。所有三种类型的运行均出于验证目的。实体模型（左侧）保持不变，而壳模型（中间）具有梁和板的中面。梁模型（右侧）具有用于对其建模的中面板和梁单元。
梁与切割板相遇的四个联轴器用于计算平均位移。对于位于顶板的四个联轴器执行相同的过程。根据平均位移绘制逐渐施加的 10MPa 压力。通过检查下图，可以看出所有三个模型的压力与位移曲线都表现出良好的一致性。
除了上图之外，还绘制了所有三个模型的 von Mises 应力曲线以及由此产生的位移曲线。再次，所有这些轮廓都表现出极大的一致性。
为了强调梁单元的效率，值得注意的是这些模型的不同尺寸以及运行分析所需的时间。（如下表所示）
| Solid | Shell | Beam | |
| Number of Elements 元件数量 | 92,058 | 15,157 | 9,142 |
| Time (s) | 319 | 75 | 71 |
壳和梁模型之间的总时间可能看起来不太重要，但这只是因为几何形状相当简单，并且模型很小。对于更大、更复杂的模型，两者之间的差异将变得显着。从该表中可以看出，梁模型只需要实体模型中 10% 的单元数量即可获得准确的结果。
笔记:
为了计算每个模型的总模拟时间 (WALLCLOCK TIME)，初始时间增量设置为 1，增量标准设置为自动。然而，为了获得上图中所示的应力随时间增量的变化，将增量步固定为 0.1。
上表中“实体”下的单元数量对应于被视为实体连续体而架子被视为壳单元的垂直梁模型的单元数量。这个数字与本文开头提到的数字 (219,837) 不同，后者对应于整个模型作为实体连续体元素（包括货架）。
结论
在本文中，我们强调了Abaqus中任意梁截面建模的强大及工具的重要性。通过遵循概述的过程，我们能够准确地对非预定义形状的梁的横截面特性进行建模，从而在保持准确性的同时进行有效的分析。我们的分析结果通过与实体和壳单元的比较进行了验证，我们发现所有三个模型在变形和应力等值线图方面高度一致。因此，很明显，网格梁横截面是一项关键技术，使工程师能够获得具有任意横截面形状的复杂结构的准确结果。
