梁單元板單元及實體單元懸臂梁

1、MIDAS/CIVIL軟件系列培訓(xùn)教材之：梁單元、板單元及實體單元懸臂梁 (Beam & Plate & Solid Elements)北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司寧波江東陽光軟件開發(fā)中心目 錄簡要1設(shè)定操作環(huán)境1輸入材料和截面數(shù)據(jù)2定義材料2定義截面2定義厚度2建立懸臂梁模型3輸入梁單元3輸入板單元4輸入實體單元5修改單元坐標(biāo)系6分割單元7輸入邊界條件8輸入荷載9運行結(jié)構(gòu)分析12查看分析結(jié)果13查看反力13查看變形和位移14查看內(nèi)力15查看應(yīng)力19簡要本例題介紹使用梁單元、板單元、實體單元來建立懸臂梁，并查看各種單元分析結(jié)果的方法。 模型如圖1所示，截面為長方形(0.4m x 1m

2、)，長20m。 固定端梁單元長 : 20m板單元0.4m材料 : C30實體單元1m圖1. 懸臂梁模型設(shè)定操作環(huán)境 打開新項目(New Project)，保存(Save)為Cantilever. mcb。 File / New Project File / Save ( Cantilever )單位體系做如下設(shè)置。 Tools / Unit System Length>m ; Force>tonf ¿輸入材料和截面數(shù)據(jù)定義材料Model / Property / Material Type>Concrete ; Standard>GB-Civil(RC) ;

3、DB>30 ¿ 定義截面使用User Type，輸入實腹長方形截面(0.4m × 1m)。Model / Property / SectionDB/User tabName>SR ; Section Shape>Solid Rectangle User ; H ( 0.4 ) ; B ( 1 ) ¿ 定義厚度 ² 對于面內(nèi)厚度和面外厚度的說明請參考在線幫助手冊。Model / Property / ThicknessValue tabThickness ID (1) ; In-plane & Out-of-plane ( 0.4

4、 ) ¿圖2. 定義材料 圖3. 定義截面 圖4. 定義厚度建立懸臂梁模型輸入梁單元使用 擴展 功能建立梁單元。 Iso View, Auto Fitting (on), Element Number (on)Model / Nodes / Create Nodes Coordinates ( 0, 0, 0 ) ¿Model / Elements / Extrude Elements Select AllExtrude Type>NodeàLine Element Element Attribute>Element Type>BeamMater

5、ial>1:30 ; Section>1 : SR ; Beta Angle ( 0 )Generation Type>Translate ; Translation>Equal Distance dx, dy, dz ( 20, 0, 0 ) ; Number of Times ( 1 ) ¿圖5. 輸入梁單元輸入板單元首先將梁單元復(fù)制到板單元的輸入位置后，通過 擴展功能將梁單元擴展成板單元。Model / Elements / Translate Elements Select Recent Entities Mode>Copy Translatio

6、n>Equal Distance ; dx, dy, dz ( 0, 0.5, -2 )Number of Times ( 1 ) ¿Model / Elements / Extrude Elements Select Recent Entities ² 選擇Remove的話，復(fù)制的梁單元被擴展后會自動被刪除。選擇Move的話，該梁單元會移動到生成的板單元的末端。 Extrude Type>Line Elem.àPlanar Elem. Source>Remove (on) ²Element Attribute>Element T

7、ype>PlateMaterial>1:30 ; Thickness>1 : 0.4Generation Type>TranslateTranslation>Equal Distance dx, dy, dz ( 0, -1, 0 ) ; Number of Times ( 1 ) ¿圖6. 利用復(fù)制的梁單元建立板單元輸入實體單元使用同樣的方法，將板單元復(fù)制到實體單元的輸入位置后，通過 擴展功能將板單元擴展成實體單元。Model / Elements / Translate Elements Select Recent Entities Mode>

8、Copy Translation>Equal Distance ; dx, dy, dz ( 0, 0, -1.5 )Number of Times ( 1 ) ¿Model / Elements / Extrude Elements Select Recent Entities Extrude Type>Planar Elem.àSolid Elem. Source>Remove (on)Element Attribute>Element Type>SolidMaterial>1:30 Generation Type>Transl

9、ateTranslation>Equal Distance dx, dy, dz ( 0, 0, -0.4 ) ; Number of Times ( 1 ) ¿圖7. 輸入實體單元模型 修改單元坐標(biāo)系單元的內(nèi)力是以相應(yīng)單元的單元坐標(biāo)系為準(zhǔn)輸出的，因此適當(dāng)?shù)刭x予單元坐標(biāo)系，可使查看結(jié)果變得更為方便 本例題中使用 Change Element Parameters 功能將所有單元的坐標(biāo)系修改為統(tǒng)一的單元坐標(biāo)系。 DisplayElement>Local Axis (on)Model / Elements / Change Element Parameters Select

10、All Parameter Type>Align Element Local Model>Standard Element>( 1 ) 8 Align Order>1st (Loc-z) ; 2nd (Loc-y) ¿修改前修改后圖8. 修改板單元和實體單元的單元坐標(biāo)系分割單元板單元和實體單元的大小會影響分析結(jié)果的精度。這里將板單元按單元坐標(biāo)系的x方向分割成20份，將實體單元按單元坐標(biāo)系的x,y方向分別分割成40份和2份。Model / Elements / Divide Elements Select Single ( Element : 3 )Divide

11、>Element Type>Planar ; Equal DistanceNumber of Divisions x ( 20 ) Number of Divisions y ( 1 ) ¿ Select Single ( Element : 5 )Divide>Element Type>Solid ; Equal DistanceNumber of Divisions x ( 40 ) Number of Divisions y ( 2 ) Number of Divisions z ( 1 ) ¿ DisplayElement>Local

12、Axis (off)圖9. 被分割的板單元和實體單元 輸入邊界條件輸入各單元模型的邊界條件（固定端）。 Model / Boundary / Supports Select Plane Plane>YZ Plane ; X Position (0) 8 ¿² 實體單元沒有旋轉(zhuǎn)自由度，因此不需約束。但由于是和其他單元一同定義邊界條件，因此方便約束所有自由度。Options>AddSupport Type>D-All (on), R-All (on) ¿圖10. 輸入懸臂梁的邊界條件輸入荷載對于梁單元使用Element Beam Loads功能，對于

13、板單元和實體單元使用Pressure Loads功能按懸臂梁的重力方向(GCSZ軸)輸入1tonf/m的均布荷載。荷載工況1 : UL-Beam荷載工況2 : UL-Plate 荷載工況3 : UL-Solid Load / Static Load Cases Name ( UL-Beam ) ; Type>User Defined LoadName ( UL-Plate ) ; Type>User Defined LoadName ( UL-Solid ) ; Type>User Defined Load圖11. 定義荷載工況使用Element Beam Loads功能輸入

14、梁單元的均布荷載。 Load / Element Beam Loads Select Single ( Elements : 1 )Load Case Name>UL-Beam Load Type>Uniform LoadsDirection>Global Z ; Projection>No ; Value>Relativex1 ( 0 ) ; x2 ( 1 ) ; w ( -1 ) ¿圖12. 梁單元均布荷載使用Pressure Loads功能輸入板單元的均布荷載。 Load / Pressure Loads Select Polygon ( Elem

15、ents : 所有板單元)Load Case Name>UL-Plate ; Options>AddElement Types>Plate, FacePressure on Plate Face>Selection>Element Direction>Global Z ; Projection>NoLoads>Uniform ; P1 ( -1 ) ¿ 圖13. 輸入板單元的均布荷載使用Pressure Loads功能輸入實體單元的均布荷載。實體單元輸入壓力荷載時對于加載面可選擇以節(jié)點為準(zhǔn)和以單元為準(zhǔn)兩種方式，這里選擇以節(jié)點為準(zhǔn)選擇加載

16、面。Load / Pressure Loads ² 用鼠標(biāo)指定實體單元上端的任意節(jié)點，就會自動輸入要選擇的平面的Z坐標(biāo)-3.5。 Select Plane Plane>X-Y Plane ; Z Position (-3.5)8 ²Load Case Name>UL-Solid ; Options>Add Element Types>Solid, All² 選擇加載方式時若選擇單元的話，需指定單元的加載面。在圖4左側(cè)的樹形菜單中，單元類型選擇實體單元后選擇要加載的單元的話，單元加載面就會按虛線顯示，若加載面不符，可通過變換壓力面#來調(diào)整。S

17、election>Node ² ; Direction>Global ZLoads>Uniform ; P1 ( -1 ) ¿ Selection的Element方式荷載加載面圖14. 輸入板單元的均布荷載運行結(jié)構(gòu)分析Analysis / Perform Analysis 查看分析結(jié)果 查看反力利用表格查看由不同單元構(gòu)成的懸臂梁在均布荷載作用下的反力。 Results / Result Tables / Reaction Records Activation DialogLoadcase/CombinationUL-Beam(ST) (on) ; UL-P

18、late(ST) (on) UL-Solid(ST) (on) ¿圖15. Records Activation Dialog 對話框 圖16. 反力結(jié)果表格 查看變形和位移 Iso ViewResults / Deformation / Deformed Shape Load Cases/Combinations>ST:UL-BeamComponents>DXYZ ; Type of Display>Undeformed (on) ¿Load Cases/Combinations>ST:UL-Plate ¿Load Cases/Combi

19、nations>ST:UL-Solid ¿圖17. 查看最大位移單位 : m 各單元懸臂梁的最大位移(DZ)如表1所示。 梁單元板單元實體單元位移1.353 1.351 1.350 表1. 各單元懸臂梁的最大位移查看內(nèi)力查看梁單元懸臂梁的彎矩。 Result / Forces / Beam Diagrams Components>MyDisplay Options>5 Points (on) ; Line Fill (on) ; Scale (1)Type of Display>Contour (on) ; Values (on) Legend (on) Ou

20、tput Section Location>All ¿ 圖18. 梁單元中點的彎矩Plate Forces/Moments提供板單元單位寬度內(nèi)的內(nèi)力。如果一個截面由幾個單元組成，則對于整個截面的內(nèi)力可利用Local Direction Force Sum 功能查看。Results / Forces / Plate Forces/MomentsLoad Cases/Combinations>ST:UL-PlatePlate Force Options>Local ; Avg. NodalComponents>Mxx Type of Display>Cont

21、our (on), Legend (on) ¿圖19. 查看板單元懸臂梁的彎矩為查看實體單元懸臂梁中點(10m)的彎矩，現(xiàn)只激活該部分以便查看。 Front View ; Initial View節(jié)點191的相關(guān)數(shù)據(jù)圖20. Model View的初始化 點擊 Select Window選擇圖20的，并將其激活。 Query / Query Nodes Node Number ( 191 )8 Select Window ( Elements : 圖20的) ActiveQuery Nodes, Query Elements是查詢節(jié)點和單元相關(guān)情況時所使用的功能。點擊節(jié)點或單元的輸入

22、欄(圖20的)后，再點擊模型中的節(jié)點或單元的話，相應(yīng)節(jié)點或單元的情報就會在下面的信息窗口中顯示。也可在輸入欄直接輸入節(jié)點或單元的編號再按回車鍵。使用Query Nodes的功能時，連續(xù)點擊兩個節(jié)點的話，還提供這兩個節(jié)點間的相對距離。 對于實體單元不另行輸出內(nèi)力，故需使用Local Direction Force Sum 功能來查看整個截面的內(nèi)力。 下面查看彎矩。 Results / Local Direction Force SumMode>Solid Face Polygon Select ; LoadCase>ST:UL-SolidTolerance ( 0.0001 )Coo

23、rdinate Input>Positions ( 271, 191, 72, 152 )8 ¿圖21. 實體單元懸臂梁的彎矩 在Local Direction Force Sum 對話框查看彎矩(Mz)。在Local Direction Force Sum定義結(jié)果輸出位置時，節(jié)點指定的順序會決定計算內(nèi)力時所參照的坐標(biāo)系。詳細(xì)內(nèi)容請參考在線幫助手冊。 用不同單元建立的懸臂梁彎矩的計算結(jié)果如表2所示。 單位 : tonf梁單元板單元實體單元彎矩- 50 - 50 - 50 表2. 各單元的彎矩查看應(yīng)力對于梁單元可使用Beam Detail Analysis 功能查看應(yīng)力發(fā)生的詳細(xì)

24、情況。 Tools>Unit SystemLength>cm ; Force>kgf Active AllResults / Beam Detail AnalysisLoad Cases/Combinations>ST:UL-Beam Element Number ( 1 )8Stress Section>Normal ; Fx (on), My (on), Mz (on) ¿拉應(yīng)力壓應(yīng)力圖22. 查看梁單元應(yīng)力對于板單元查看整體坐標(biāo)系X方向上的應(yīng)力。 Results / Stresses / Plane-Stress/Plate StressesLoad Cases/Combinations>ST:UL-Plate Stress Options>Global ; Avg. Nodal ; Top Components>Sig-XX Type of Display