[ABAQUS] 梁单元横向剪切刚度的取值影响

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横向剪切刚度杂谈 |
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ABAQUS中梁单元分为欧拉梁单元和铁木辛柯梁。两者的差异可详见([有限元知识] 板壳理论 http://blog.sina.com.cn/s/blog_642b4b710100igi0.html)一文。
ABAQUS中假定铁木辛柯梁的横向剪切刚度属线弹性,其剪切变形同轴向和弯曲变形无关。
对铁木辛柯梁,横向剪切刚度通过引入一无量纲的参数进行修正,以免对于细长梁时出现剪切刚度过大的情况。可以理解为对欧拉梁,该无量纲的参数取为0。下面从三个方面展开:
(1)横向剪切刚度的计算公式
以矩形截面为例,截面梁高为h(1轴),宽为b(2轴);
则K13_m=f_1*K13;
K13、K23就是截面的初始剪切刚度。K=k*G*A,k为剪切不均匀系数,对矩形截面而言取0.85;
f_1=1/(1+episol*SCF*L*L*A/(12*I11));f_2=1/(1+episol*SCF*L*L*A/(12*I22));
对一次单元,episol=1.0;二次单元,episol=1.0e-4;
SCF为细长单元的一个补偿系数,默认取为0.25;
I11=1/12*b*h3=1/12*A*h2;I22=1/12*A*b2;
对于一次单元:f_1=1/(1+0.25*L2/h2);f_2=1/(1+0.25*L2/b2);
算例:B31单元,弹塑性分析时的f_1和f_2的取值
对于常规的塑性铰长度:Lp=0.5h,弹塑性分析中的单元长度取为L=Lp=0.5h,假定h/b=2,则L=b
由上式可知,对B31单元,f_1=0.86;f_2=0.8
(2)剪切刚度取值对位移结果的影响
建立4根梁,承受一个向下的竖向力,梁长度为2m,截面为300x600(高跨比为1/3.3),弹性模型为3e10Pa,泊松比为0.2,施加竖向荷载为100000N,针对四种情况分析:(1)采用默认的横向剪切刚度值;(2)根据上述公式计算的数值;(3)取为第二种情况的1/10000;(4)取为第二种情况的10000倍;分别从位移结果和应力结果比较如下:
http://s1/middle/642b4b71g85ea856b93c0&690
位移结果相差很大,尤其是第三种情况,此时剪切变形非常大,前两种方法得到结果完全相同,第四种方法对位移结果有减小作用,但影响程度较小,为7%。
(3)剪切刚度取值对应力结果的影响
http://s13/middle/642b4b71g73caa75d424c&690
应力结果没有受到横向剪切刚度的取值影响。
同样当梁跨度取为6m时,前两种方法的误差为0.05%;且剪切刚度取大值对应的误差减小为1%;模拟效果良好。
换一个角度来说,ABAQUS中铁木辛柯梁考虑剪切变形只对位移有效,该剪切部分属线弹性,应力可以理解成与位移的一次导成比例,故梁单元的应力值不受其影响。
(4)建议
在不确定剪切刚度数值时,建议给其赋一个大值。