截面特性 — CAE用语解说

简单来说，使用梁单元时需要用数值来说明"这根棒的截面是什么样的"的信息。截面积A、截面二次矩I、截面系数Z、扭转常数J等是代表性参数。

因为对中立轴距离 $y$ 的平方在整个截面积分，所以叫"二次"。公式是 $I = \int y^2 \, dA$。距离的平方，所以材料离中立轴越远效果越好。这就是为什么I型钢靠上下翼缘来增加抗弯能力。

这是实务中常见的错误。例如I值错一个数量级，挠度就会变化10倍。因为弯曲刚性EI直接改变。我认识的人在汽车车架分析中犯过这个错误，审核时被指出"刚性太低"才发现的。

I用于计算"挠度"。Z用于计算"最大应力"。因为 $\sigma = M / Z$，所以相同弯曲矩M，Z越大的截面应力越低。设计者从许用应力反算所需的Z值，然后从目录中选择截面。

例如汽车车门铰链周围的骨架部件，或建筑悬臂梁受到扭转力矩的场景。开口截面（C型钢等）的J较小，抗扭性弱。闭合截面（方管）的J大，抗扭性强。这里出错会导致扭曲变形过大，装配间隙无法匹配。

理论上是这样，但整车车架全部用实体网格会导致单元数爆炸，计算永远跑不完。用梁单元只需一条线，大型模型计算速度快几个数量级。所以在实务中，正确设置截面特性、掌握梁单元才是真正的本领。