2024年4月19日发(作者：)

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Beam4 单元描述

Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有

六个自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。可用于计算应力硬化

及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。

关于本单元更详细的介绍请参阅《ansys理论手册》,关于渐变的非对称弹性梁的问题应按

beam44单元考虑，三维塑性梁应按beam24单元考虑。

Beam4单元的几何模型

（如果省略节点K或Θ角为0度，则单元的Y轴平行于整体坐标系下的X－Y平面）

单元的输入数据：

关于本单元的几何模型，节点座标及座标系统详见上图。本单元的定义通常是以下这些

输入参数确定的：二或三个节点变量，横截面积变量，两个轴惯性矩（IZZ和IYY）变量，

两个厚度变量（TKZ，TKY），绕单元座标系下X轴的转角变量（θ），绕X轴（单元座

标系下）扭转惯性矩（IXX）及材料属性。如果IXX没有给定或输入值为0，那系统默认为

其等于极惯性矩（IZZ＋IYY）。IXX一般应给定且其小于极惯性矩。单元的扭转刚度随着

IXX的减小而减小。参数ADDMAS要输入的值是每单位长度的附加质量。

单元的X轴的方向是指从I节点到J节点。如果只给了两个节点参数，那单元Y轴的

方向自动确定为平行于系统坐标系下的X－Y平面。有关示例见上图。当单元坐标的X轴

平行于整体坐标系下的Z轴（包括0.01%的偏差在内），单元Y轴的方向是平行于总体坐

标系下的Y轴。用户可以通过给定θ角或定义第三个节点的方法来控制单元的方向。如果

前面的两个参数同时给定时，则以给定第三点的控制为准。第三点一经给出就意味着定义了

一个由I，J，K三点定义的平面且该平面包含了单元坐标的X与Z轴。当本单元用于大变

形分析时，那么给定的第三节点（K）或旋转角（θ）仅用来确定单元的初始状态。（有关

方向节点及单元划分的详细信息参见《实体单元分网》及《ansys建模与分网指南》。）

关于单元的初始应变（ISTRN）通过Δ/L给定，这里的Δ是单元长度L（由节点I和J

的坐标所决定）与零应变时的长度之差。剪切变形常数（SHARZ和SHEARY）只有当考虑

剪切变形时才设定，该值为零时即表示忽略了剪切变形。

KEYOPT（2）用来控制在大变形分析时是否激活（用命令，[NLGEOM,ON]）相容切

线刚度矩阵（也就是，由主切线刚度矩阵加上相容应力矩阵所组成的矩阵）。打开这项设置

则在几何非线性分析时将获得快速收敛，例如在非线性屈曲分析时就可打开该项。但在分析

刚性连结或耦合结点时不能激活该项。在刚度急剧变化的结构分析中也不应打开该项。

KEYOPT（7）用来控制是否进行不对称回转阻尼矩阵的计算（常用于转子动态分析），

所须转动频率在实常数SPIN中输入（单位为：弧度/时间，正方向为单元X轴正向），且

单元本身必须是对称的（如，IYY＝IZZ，SHEARY＝SHEARZ）。

“节点与单元荷载”一节对“单元荷载”有专门介绍。可以在本单元的表面施加面荷载，

如上图中带圈数字所示，其中箭头指向为面荷载作用正向。横向均布压力的单位为力每单位

长度，端点作用的压力应以集中力的形式输入。KEYOPT（10）用来控制线性变化的横向压

力相对单元节点的偏移量。可在单元几何图形的八个角上设定温度值，其被当作体荷载处理。

第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF，如其它角的温度未给定时其默认值等于第一个角

的温度，如给定了T1和T2则T3的默认值为T2，T4的默认值为T1；T5到T8的值默认与

T1到T4的值相对应。

KEYOPT（9）用来控制两节点中间部分相关值的输出情况，值是按平衡条件得出的。

但在下列情况下这些值不能得到：

z

考虑应力硬化时［SSTIF，ON］；

z

一个以上的部件作用有角速度时［OMEGA]；

z

通过命令CGOMGA, DOMEGA, or DCG/MG作用了角速度或加速度时。

BEAM4输入参数汇总：

节点：I, J，K（K为方向节点，是可选的）

自由度：UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

实常数：

AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA

ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS

这些实常数的含义见“BEAM4实常数表”

说明：剪切变形系数＝0，则在单元的Y方向没有剪切变形。

材料属性：EX, ALPX, DENS, GXY, DAMP

表面荷载：

压力-（括号内为压力正值作用方向）

face 1 (I-J) (-Z法线方向)

face 2 (I-J) (－Y法线方向)

face 3 (I－J) (+X 轴切线方向)

face 4 (I) (+X 轴向)

face 5 (J) (-X 轴向)

（如输入的压力为负值表示与几何模型图中方向反向作用)

体荷载：

温度作用 -- T1, T2, T3, T4，T5，T6，T7，T8

特性：

应力强化

大变形

单元生、死

单元选项：

KEYOPT（2）应力硬化选项：

0――在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM设为ON）时仅用于主切线刚度矩阵

部分（应力硬化关效应用于线性屈曲分析或用PSTRES激活（即设为ON）后的线性预应力

分析中）