在本讲座中，我们将讨论如何有效地建模和分析细长结构。
细长结构在我们身边随处可见，在工程设计中也很常见。从我们城市中的建筑物和桥梁，到为其提供能源的输电线路塔，到用于建造和供电的建筑和运输设备，甚至您的自行车。
虽然 Ansys SpaceClaim 和 Ansys Mechanical 等现代建模和仿真工具可以将这些结构构建和仿真为实体，但将它们表示为线体或梁单元具有明显的优势。
在本讲座中，我们将讨论何时使用梁单元、它们的独特之处以及正确使用它们的特殊注意事项。最后，我们将回顾特定于梁单元的结果。我们将通过一个简短的讲座和一个拖车组件的演练示例来实现这一点。
何时使用线体(line body)
人们可能会问的一个问题是我们什么时候使用线体？在模拟柱或梁等细长结构时，线体因其计算效率而通常是最佳选择。以这个大型结构为例。 我们可以看到该建筑是由细长的主体或梁组成的。
当构件的长度通常远大于横截面尺寸时，线体非常适合对行为进行建模，但也可以使用一种更定性的测量方法，即长细比。梁结构的长细比可计算为 GAL^2/(EI)，其中 G 是剪切模量，A 是横截面积，L 是构件长度（不是单个单元长度），E 是杨氏模量，并且 I 是面积惯性矩。
作为一般准则，建议使用线体时长细比大于 30。这里，我们比较相同材料的两根梁的长细比，以便对长细比有一个直观的感受。
在决定何时使用线体时，了解梁如何响应不同的载荷条件以及我们可以预期的变形类型非常重要。这样我们就可以决定它是否满足我们的模拟需求。让我们看看梁单元如何捕获不同的变形模式。
如果我们采用梁并施加轴向载荷，梁将拉伸或应变，我们将产生沿梁长度作用的法向应力或轴向应力，现在让我们采用相同的梁，并施加力矩载荷使其弯曲。
我们看到梁发生了弯曲，并且这种曲率导致应变通过横截面发展，或者说从上到下，但这些应变和相关的应力仍然作用在梁的法向或轴向。
如果扭转载荷施加到梁上，梁将扭转并产生剪应力。
请记住，梁的平面部分保持平面，并且部分平面中的变形和应力不被视为公式的一部分，因此，虽然我们可以使用梁单元准确捕获类梁结构的整体响应， 梁公式无法捕获高度局部的变形。
对于这种非常局部行为的情况，可以使用实体模型对该结构区域进行建模，或考虑使用梁到实体子建模方法。
为什么要使用线体？
现在，另一个常见问题是为什么应该使用线体？与实体或曲面体相比，线体为我们提供了几个明显的优势。我们应该记住的一点是，当使用实体单元时，理想的纵横比接近 1.0，尽管更高的纵横比并且仍然会产生有用的结果。
然而，在细长结构的情况下，我们最终可能会得到极高纵横比的单元，这些单元表现得过于僵硬并且不能很好地捕捉变形，或者我们最终会得到大量具有合理纵横比的单元。因此，通过在适当的时候使用线体，我们最终会在保持高精度的同时显著减少自由度。
作为示例，我们来比较一下工字梁的自由度数。如果我们与线体进行网格划分，我们可以看到与其他单元拓扑相比，我们的自由度明显更少，这意味着更快的求解时间。
使用线体的另一大优势是直接输出常见要求的梁结果，例如轴向力、弯曲力、扭转力、剪切力和力矩。在细长结构的情况下，我们通常对识别和分离轴向和弯曲行为感兴趣，例如，以确定细长结构如何响应，而这对于线体来说是直接可能的，因为它的公式包含了这些变形模式。另一方面，对于用于更一般变形模式的实体网格来说，尝试这将是非常困难或乏味的。
与更耗时的实体模型几何更新相比，能够轻松修改梁横截面是执行设计研究时的一大优势。此外，对截面尺寸的更改会在引用截面轮廓的所有位置进行更新，因此可以在具有多个梁的模型中反映简单的更改。
既然我们知道何时以及为何使用线体，我们可能会问是什么让线体元素如此独特？
线体有何独特之处？
线体元素有多种模型类型来表示特定的结构。梁模型类型是最常见的类型之一，也是本讲座中介绍的类型。其他一些类型适用于更特殊的情况，例如管道建模、桁架式结构建模（无法传递力矩）、对钢筋进行建模，例如混凝土中的钢筋或橡胶轮胎中的绳索钢筋，对仅需要拉伸行为的电缆进行建模。虽然我们将重点关注梁单元，但我们关于建模、方向和结果的讨论通常仍然适用于其他类型的线体单元。
使用梁单元的注意事项
尽管线体通常是细长结构的绝佳选择，但仍有一些注意事项需要注意。梁单元的应力状态是被简化，控制梁行为的运动学来自梁理论，因此线体不应该用于非细长几何形状，因为我们只有 3 个应力项。在这些情况下，壳或固体会更适合。
此外，梁与梁相交处、焊件、螺栓附件、孔处的详细应力并未考虑在内，因此对于详细设计，可能需要局部壳或实体模型，甚至可以使用子建模技术。
虽然梁单元是一维的，但横截面信息被存储和计算以允许 3D 可视化，极大地促进结果解释。
请记住，我们可以仅使用单个元素来表示梁行为，但如果我们希望更准确地可视化沿梁的结果，则可能需要或需要沿长度添加更多节点。例如，使用剪切力矩图，或沿梁特定位置的结果。
我们可能还需要更多的元素来与特定位置的其他零件连接，甚至在指定点载荷和力矩的地方。
最后，梁可以从其几何建模线体偏移，以占据空间中的不同位置，捕获适当的刚度，同时便于连接到其他体。
- 简化的应力状态
- 连接处的应力需要仔细建模或子建模
- 行为可由一个元素获得
- 基于载荷，连接和结果准确度，可能需要更精细的网格
- 梁可以从其几何位置偏移
另一个重要的考虑因素是梁单元的单元坐标系的方向，x为 沿梁的轴，然后 y 和 z 位于平面内。这对于正确定向梁截面非常重要，并且在提取结果时也很重要，因为应力/应变结果将在此单元坐标系中报告。
梁元素结果
梁单元有多种类型的结果可用，梁结果中提供的力和力矩，包括流行的剪切力矩图。存在直接应力(Direct stress)，即梁上轴向载荷产生的法向应力，以及组合应力(combined stress)，即轴向载荷产生的法向应力加上弯曲产生的法向应力。
梁截面结果也可用，这使我们能够使用与其他单元拓扑（例如壳和实体）相同的结果量来可视化应力和应变。请记住，这些量位于前面提到的元素坐标系中。附带说明一下，这些梁截面结果使我们能够可视化更高级的量，例如塑性应变等非线性结果。
下面我进入实例讲解，在新建一个静态结构模拟，在SpaceClaim中打开一下零件：
首先将这些零件简化为梁元素，去到Prepare->Beams->Extra
点击最右边的零件，即可将其简化为梁元素。
重复该步骤将所有零件替换为梁元素。
注意到右边的模型树多出了梁的文件夹：
导入型材的截面文件：
选择最后三个梁，将截面设为BeamCrossSection-NewDesign
接下来，我们需要将挂钩梁移动到与框架梁相同的平面，以在它们之间创建共享拓扑。
使用Workbench->Share工具创建共享拓扑。
几何准备完毕，让我们在Ansys Mechanical中打开查看，点开Display->Cross section可以得到以下零件：
将前面的三角梁移回原来的位置，选择梁元素，将offset type改为User Defined，然后在offset x方向输入-2″。
选择所有梁元素，将材料设为铝合金：
将框架下面那一根横梁用弹簧连接到框架梁：
在Connections下面新建弹簧，弹性系数为1000 lbf/in，选择上面的顶点，连接弹簧。
设置网格，将精细度调至6：
生成网格如下：
关闭”Thick shell and Beam”选项，在preference 中打开Node number
可以看到三角架和主框架共享了节点：
选择框架右边缘创建一条路径。
选择如下顶点创建位移约束，将三个方向自由度设为0，意思为固定点。
选取同一顶点，创建固定选择约束，限制绕y轴的旋转：
选择右轮顶点，插入位移和旋转约束，限制xy方向的位移和x方向的选择，然后选择左轮顶点，插入位移约束，限制y方向的位移。
选择所有横梁，插入line pressure，y方向向下2lbf，模拟运输的载荷。
最后插入标准重力载荷。
求解及查看结果
变形结果：
可以查看一些梁元素专有结果：
选择之前创建的路径，查看剪切载荷：
在worksheet中还可以查看分布图：
小结：
- 线体是进行细长结构建模的有效方法。
- 可以在SpaceClaim中抽取线体和连接。
- 采用3D截面可以非常容易可视化线体。
- 梁截面非常容易设定和修改。
- 梁元素是最普通的线体类型，有很多细节的结果。
- 可以将线体与模型的其它区域连接。
- 很多情况下线体都很有效，但其也有局限性。