Combination of Shell and Beam Elements 

Problem Statement: 

Consider a plate welded to two beams as shown below. Determine the . . . 

a. deflection of the structure b. x‐component of stress acting on the model c. y‐component of stress acting on the model d. z‐component of stress acting on the model 

 

   

X 

96 in 

48 in 

Y 

X 

Z 

Pressure acting on the plate: 50 psi 

1 in 

4 in 

2 in Front view 

Y 

ANSYS procedure: 

1. Preprocessor >Element type > Add/Edit/Delete > (Add) > (Shell) > (8 node 93) > Apply  > (Add) > Beam > (3 node 189) 

2. Preprocessor > Real constants > Add/Edit/Delete > (Add) > Type 1 (Shell 93) > OK > Shell thickness at node I = 1 > OK 

3. Preprocessor > Material properties > Material models > Structural > Linear > Elastic >  Isotropic  Enter EX = 29 6 and PRXY = 0.3 

4. Preprocessor >Modeling >  Create > Key points > In active CS 

Key point  X coordinate  Y coordinate  Z coordinate 1  0  0  0 2  48  0  0 3  48  0  96 4  0  0  96 5  0  40  48 6  48  40  48 

  Keypoints 5 and 6 are orientation keypoints that will be used for the BEAM189 elements. 

5. PlotCtrls > PanZoomRotate > Iso 6. Preprocessor  >  Modeling  >  Create  >  Lines  >Lines  >  Straight  lines  (Click  on  the  key  points 

1,2,2,3,3,4,4,1 to create the boundary of rectangle ) 7. Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By  lines > Pick  the  four  lines, starting 

with 1  and ending with 4,  to make  a  rectangular  area.  The order  that  the  lines  are  entered  can influence the surface normal and the direction that the pressure loading acts (up or down).                                      

8. Preprocessor  >  Meshing  >  Mesh tool > Element attributes > Areas > Set  >  Pick  area  >  OK  >   TYPE = Shell 93 > OK  

9. Preprocessor  >  Meshing  >  Mesh tool  >  Size  cntrls  >  Areas  >  Set  > Pick area > OK > SIZE = 4 

 10. Preprocessor  >  Meshing  >  Mesh 

tool > Mesh > Areas > Free > Mesh > Pick area > OK 

  

11. Preprocessor > Meshing > Mesh tool > Element attributes > Lines > Set > Pick line 2 (the one between keypoints 2 and 3) > OK > TYPE = Beam 189 > Orientation key points = Yes > OK > Pick key point 5 >OK 

12. Preprocessor > Meshing > Mesh tool > Element attributes > Lines > Set > Pick line 4 (the one between keypoints 3 and 4) > OK > TYPE = Beam 189 > Orientation key points = Yes > OK > Pick key point 6 >OK 

Line 1 

Line 2

  

13. Preprocessor > Meshing > Mesh tool > Mesh > Lines > Mesh > Pick lines 2 and 4 > OK 14. Utility menu > Plot ctrls > Style > Size and shape > /ESHAPE = on > OK 15. Preprocessor > Sections > Beam > Common sections > 

 

                                                      Front view  

 Since the SAME  lines were used to define beam elements AND the area  from which the shell elements were meshed, the shell and beam elements share the same degrees of freedom along the long edges of the plate. Also note that since quadratic elements (3 nodes on a side) were used for the shell and beam elements, there is no chance for unwanted gaps developing between the two element types.   

16. Utility menu > Plot > Replot 

 

   

Applying loads: 17. Solution > Define loads > 

Apply > Structural > Displacement > On keypoints   

 Key point  DOF 1  Ux,Uy,Uz = 0 2  Uy,Uz = 0 3  Uy = 0 4  Ux,Uy = 0 

The beams are simply supported, and the plate is supported by the beams.  18. Solution > Define loads > 

Apply > Structural > Pressure > On areas > Pick area > OK >    VALUE =50 

   19. Solution > Solve > Current LS 

Post processing: 

20. General Postproc > Plot results > Deformed Shape > Def + Undef edge 

             

 

23. General  Postproc  >  Plot  results  > Contour  plot  >  Element  solution  > Stress > Y‐component of stress  > OK 

 

21. General  Postproc  >  Plot  results  > Contour  plot  >  Element  solution  > Stress > von Mises stress  > OK 

 

22. General  Postproc  >  Plot  results  > Contour  plot  >  Element  solution  > Stress > X‐component of stress  > OK 

 

 24. General  Postproc  >  Plot  results  > 

Contour  plot  >  Element  solution  > Stress > Z component of stress  > OK  

Summary of results: 

a. Maximum deflection : 2.202 in b. Maximum X‐component of stress : 111668 psi (tensile on bottom of plate) c. Maximum Y‐component of stress : ‐ 50 psi (traction on surface = applied pressure, as expected) d. Maximum Z‐component of stress : 27250 psi e. Maximum von Mises stress : 111835 psi  

 

This tutorial was developed by David Hall and Sai Ravi Kanth Tummala © 2008