[分享]梁单元的第七自由度到底是什么

精

发表于2020-07-20 77人浏览 1人跟帖总热度:303

筑龙币+0

白鸟朝凤

标签：七自由度梁单元第七自由度是什么 ANSYS软件建模结构软件设计

梁单元的第七自由度到底是什么

转自公众号：ANSYS结构院

熟悉ANSYS 梁单元（这里梁单元特指beam188/189）的同学都知道，该单元除了常规的六个自由度外，还有一个第七自由度，那么这个第7自由度到底是指什么呢？什么时候需要用到第七自由度呢？今日水哥就和大家详细聊下梁单元的第7自由度。

在具体阐述之前，大家可以简单的按如下方式理解第7自由度：

六自由度梁单元扭转行为仅考虑自由扭转，横截面不考虑翘曲，而七自由度梁单元除此之外还考虑约束扭转，横截面考虑翘曲影响。

自由扭转与约束扭转可用下图简单说明：

上图第一种情况可视为自由扭转，第二种情况可视为约束扭转，由于支承条件或外力作用方式使构件扭转时截面的翘曲受到约束。约束扭转时，构件横截面产生翘曲变形，截面上将产生纵向正应力，称为翘曲正应力。同时还必然产生与翘曲正应力保持平衡的翘曲剪应力。

故而第7自由度实际上是衡量或者考虑截面翘曲的一个开关，熟悉梁单元的同学知道，可通过设置第一个关键项的值来打开或者关闭第7自由度，一般情况下，该值默认为0，此时横截面不考虑翘曲，当设置为1时，此时激活第7自由度，截面考虑翘曲影响。

下图为6自由度与7自由度情况的计算内容：

从计算内容对比情况看，考虑7自由度后，在6自由度的计算内容基础之上，增加了自由扭转扭矩、约束扭转扭转、约束扭转双力矩、翘曲正应力、自由扭转剪应力、约束扭转剪应力的内容，ANSYS Beam18x单元表输出中仅列出了双力矩、双曲率的输出，其余影响不单独分开输出。

在平时结构计算中，主要有如下两种情况考虑第7自由度：

1、构件横截面多为薄壁型，在扭转时，截面翘曲影响较大；

2、在有足够强的支座约束情况下，存在大偏心荷载时，约束扭转占总扭矩的比重较大，此时采用梁单元模拟时，需考虑7自由度。

就土木而言，在桥梁工程里面，7自由度梁单元使用情况较多，主要在于施加活载时，很多时候都需要考虑偏载效应，在这方面，无论是midas civil还是ANSYS都能较好模拟考虑截面翘曲的情况。

下面以一个简单的约束扭转案例，演示考虑第七自由度梁单元的使用方法。

如下所示一钢箱梁，两端固结，跨度3m，均布荷载5kN/m,均布扭矩10kN.m/m，截面为300x600,壁厚10mm，采用ANSYS分析截面应力情况。

为对比结果，此处分别按6自由度梁单元与7自由度梁单元建立模型，代码如下：

finish /clear /prep7 et,1,beam189 keyopt,1,1,1 !打开第7自由度 keyopt,1,4,0 !仅输出扭转剪应力 mp,ex,1,2.0e5 mp,dens,1,7850e-12 mp,prxy,1,0.3 sectype,1,beam,hrec secdata,300,600,10,10,10,10 k,1,0 k,2,3000 k,3,3000,1000 l,1,2 latt,1,,1,,,3lesize,all,,,10 lmesh,all dk,1,all,0 dk,2,all,0 nsle,s,corner f,all,mx,3000/10*10e3 !施加扭矩 allsel,all sfbeam,all,1,pres,5 !施加均布荷载 /solu solve /post1 /eshape,1 plnsol,u,sum !结构位移云图 plnsol,s,x !结构正应力 plnsol,s,xy !结构剪应力

下面为对比结果

一、位移云图对比