什么是七自由度梁单元

七自由度与六自由度梁单元的区别(1、计算内容的区别 2、计算方法的区别)

七自由度梁单元在桥梁结构设计的应用

支持七自由度梁单元的结构分析软件

什么是七自由度梁单元

在结构分析计算中，七自由度梁单元区别于三自由度（沿纵向、竖向的平动及绕截面主轴的转动）梁单元和六自由度（沿纵向、竖向、横向的平动与转动）梁单元。

即增加截面上的约束扭转双力矩作为第七个自由度，采用七自由度空间直梁单元可以计算偏心荷载下的扭矩，并可以采用薄壁效应算法计算截面的弯曲剪力流和自由扭转剪力流。便可以计算箱梁截面的约束扭转效应，包括约束扭转翘曲正应力和约束扭转剪应力。

七自由度与六自由度梁单元的区别

1、计算内容的区别

对比项　六自由度　七自由度

内力计算项　1、弯矩
2、剪力
3、扭矩
4、轴力　1、弯矩
2、剪力
3、扭矩
4、轴力
5、自由扭转扭矩
6、约束扭转扭矩
7、约束扭转双力矩

正应力计算项　1、弯曲正应力　1、弯曲正应力
2、翘曲正应力

剪应力计算项　1、弯曲剪应力
2、扭转剪应力　1、弯曲剪应力
2、自由扭转剪应力
3、约束扭转剪应力

2、计算方法的区别

在六自由度与七自由度梁单元的内力计算中，弯矩、剪力、扭矩与轴力的计算结果是一致的。不同之处在于七自由度引入了约束扭转系数以区别总扭矩中约束扭转扭矩所占的比例，从而计算自由扭转扭矩与约束扭转扭矩。此外，七自由度还引入了约束扭转双力矩用于计算约束扭转产生的翘曲正应力。

在六自由度与七自由度梁单元的应力计算中弯曲正应力计算方法相同。其不同之处体现在剪应力的计算以及翘曲正应力的计算。

六自由度剪应力算法

六自由度的弯曲剪应力计算主要针对腹板处的6个点，如右图所示黑色实心圆点。其计算方法如右下图所示。

六自由度的扭转剪应力计算方法如右下图所示。

七自由度应力算法

在七自由度应力计算中（以单箱单室箱梁为例），可将每一个截面划分为22个截面单元，每个截面单元分为5个点（0/4、1/4、2/4、3/4、4/4），总共110个点。最后分别求出这110个点的应力值。应力计算内容包括弯曲正应力（包含my与mz）、弯曲剪应力（包含my与mz）、自由扭转剪应力、约束扭转剪应力以及翘曲正应力共七项应力。各应力图示见下图。

七自由度梁单元在桥梁结构设计的应用

当结构存在偏载（活载偏载或结构自身的偏载）时，约束扭转占总扭矩的比重较大，因而需考虑结构的约束扭转效应。

1、大跨径箱梁桥（主要针对于活载偏载效应的分析）；

2、小半径曲线箱梁桥（主要针对于自重和活载偏载效应的分析）。

支持七自由度梁单元的结构分析软件

1、Ansys（Beam188单元）；

2、WISEPLUS（七自由度梁单元）。