梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布ANSYS分析

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y先進(jìn)制造及模具設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布ANSYS分析 學(xué) 院 名 稱(chēng)： 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)： 研1402 學(xué) 生 姓 名： XX 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： S1403062 2015年 5 月江蘇大學(xué)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布ANSYS分析（XX，S1403062，江蘇大學(xué)）摘要：本文比較典型地介紹了如何用有限元分析工具分析梁結(jié)構(gòu)受到靜力時(shí)的應(yīng)力的分布狀態(tài)。我們遵循對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的方法，建立了一個(gè)完整的有限元分析過(guò)程。首先是建立梁結(jié)構(gòu)模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接著進(jìn)行約束和加載，最后計(jì)算得出結(jié)論，輸出各種圖像供設(shè)計(jì)時(shí)參考。通過(guò)本論

2、文，我們對(duì)有限元法在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用、使用方法有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：梁結(jié)構(gòu)；應(yīng)力狀態(tài)；有限元分析；梁結(jié)構(gòu)模型。Beam structure stress distribution of ANSYS analysis（Dingrui, S1403062, Jiangsu university）Abstract: This article is typically introduced how to use the finite element analysis tool to analyze the stress of beam structure under static state

3、 distribution. We follow the beam structure finite element analysis method, established the finite element analysis of a complete process. Is good beam structure model is established first, and then to carry on the grid, then for constraint and load, calculated the final conclusion, the output of im

4、ages for design reference. In this article, we have the role of the finite element method in modern engineering structural design, use method has a preliminary understanding.Key words: beam structure; Stress state; The finite element analysis; Beam structure model.1引言在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中，梁是運(yùn)用得比較多的一種結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)

5、是受到復(fù)雜外力、力矩作用時(shí)，可以手動(dòng)計(jì)算應(yīng)力情況。手動(dòng)計(jì)算雖然方法簡(jiǎn)單，但計(jì)算量大，不容易保證準(zhǔn)確性。相比而言，有限元分析方法借助計(jì)算機(jī)，計(jì)算精度高，且能保證準(zhǔn)確性。另外，有限元法分析梁結(jié)構(gòu)時(shí)，建模簡(jiǎn)單，施加應(yīng)力和約束也相對(duì)容易，能分析梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況的具體分布、最大變形量以及中性面位置，優(yōu)勢(shì)明顯。以下介紹一種常見(jiàn)梁的受力狀況，并采用有限元法進(jìn)行靜力分析，得出了與手動(dòng)計(jì)算基本吻合的結(jié)論。以下為此次分析對(duì)象。A-A截面rAAMM梁的截面形狀為梯形截面，各個(gè)截面尺寸相同。兩端受彎矩沿中性面發(fā)生彎曲，如圖2-1所示。試?yán)肁NSYS軟件對(duì)此梯形截面梁進(jìn)行靜力學(xué)分析，以獲得沿梁AA截面的應(yīng)力分布情況。D

6、BD,B5°2#面1#面CAC,A2有限元模型的建立2.1建立模型首先進(jìn)入ANSYS中，采用自下而上的建模方式，創(chuàng)建梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型，同時(shí)定義模型的材料單元為Brick 8-node 45，彈性模量為200e9，泊松比為0.3。由于分析不需要定義實(shí)常數(shù)，因此可忽略提示，關(guān)閉Real Constants菜單。建立的切片模型如下：2.2網(wǎng)格劃分顯示邊線(xiàn)，關(guān)閉背景。通過(guò)Meshtool工具對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)，分別設(shè)置不同線(xiàn)條的網(wǎng)格劃分參數(shù)后，采用六面體單元?jiǎng)澐帜Ｐ途W(wǎng)格。在MeshTool菜單的Shape欄選擇Hex選項(xiàng)。在MeshTool下拉列表框中確保選

7、中Volumes，保證實(shí)體通過(guò)體單元?jiǎng)澐?。單擊Mesh按鈕后，單擊拾取對(duì)話(huà)框中Pick All按鈕。劃分網(wǎng)格后的圖形1所示：圖1 劃分網(wǎng)格2.3施加約束對(duì)照實(shí)際受力情況，對(duì)1#面和2#面定義載荷和約束。首先定義1#面上關(guān)鍵點(diǎn)A的約束，其次定義1#面的面約束，接著定義1#面上AB線(xiàn)的約束。對(duì)于2#面，采取的定義約束的方法則有所不同。由于v方向邊界條件為空間函數(shù)，因此需要通過(guò)定義函數(shù)來(lái)定義約束。首先編輯函數(shù)，然后加載函數(shù)，最后在2面上定義函數(shù)邊界。最后定義CD線(xiàn)上的約束。2.4 施加載荷并求解進(jìn)入求解器，檢查輸入無(wú)誤后，進(jìn)行以下操作求解。GUI: Main Menu >Solution &g

8、t;Solve >Current LS2.5 查看分析結(jié)果（1）查看等效應(yīng)力首先顯示等效應(yīng)力等值線(xiàn)圖，如圖2所示,從右視圖上得知，最大等效應(yīng)力為147MPa，出現(xiàn)在對(duì)稱(chēng)線(xiàn)的底部。圖2 等效應(yīng)力等值線(xiàn)圖（2）查看環(huán)向應(yīng)力在ANSYS中，表示柱坐標(biāo)中的SY應(yīng)力，所以要顯示，需要將當(dāng)前坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到柱坐標(biāo)。首先設(shè)置結(jié)果文件輸出參數(shù)，以整體柱坐標(biāo)系輸出分析結(jié)果，然后在左側(cè)列表中選擇Stress，在右側(cè)列表中選擇Y-direction SY，單擊OK按鈕，得到環(huán)向應(yīng)力等值線(xiàn)圖，如圖3所示。圖3 環(huán)向應(yīng)力等值線(xiàn)圖（3）查看中性軸中性軸的位置就是值為零的位置，通過(guò)查看梁的中性軸可以簡(jiǎn)單判斷分析結(jié)果是否合

9、理。為了單獨(dú)顯示中性軸，首先調(diào)整一下顯示色彩，操作如下： GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Style>Contours>Uniform Contours上述設(shè)置使應(yīng)力為負(fù)和應(yīng)力為正的區(qū)域以不同的色彩顯示，即在0<<200MPa區(qū)域顯示紅色，在-200MPa<<0區(qū)域顯示藍(lán)色，這兩種顏色的相交處為中性軸，如圖4所示。 有限元分析結(jié)果顯示中性軸是彎曲的，這與材料力學(xué)中關(guān)于中性軸的假定相矛盾，考慮到經(jīng)典理論與工程實(shí)際的差別，結(jié)果可以接受。圖4梁的中性軸 （5）查看徑向應(yīng)力柱坐標(biāo)系中徑向應(yīng)力就是SX應(yīng)力。首先顯示徑向應(yīng)力分析結(jié)果，

10、操作如下： GUI: Main Menu>General Postproc>Plot results>Nodal Solu在左側(cè)列表中選擇Stress，在右側(cè)列表中選擇X-direction SX，然后單擊OK按鈕。為了顯示方便，將顏色設(shè)置恢復(fù)原樣，操作如下：GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Style>Contours>Uniform Contours在Number of contours文本框中輸入9，在Contour Intervals選項(xiàng)組中選擇Auto calculated,單擊OK按鈕，即可得到徑向應(yīng)力等值線(xiàn)圖，如圖6

11、所示，從中可發(fā)現(xiàn)整個(gè)截面上的徑向應(yīng)力均為拉應(yīng)力。圖6 徑向應(yīng)力等值線(xiàn)圖（6）查看變形后圖形顯示變形后圖形的操作如下： GUI: Main Menu>General Postproc >Plot Results>Deformed Shape>Def+undeformed此時(shí)在圖形窗口中顯示出變形前后圖形，如圖7所示，從圖中可知，最大位移DMX=0.2240e-4m。圖7 變形前后圖形2.6驗(yàn)證分析結(jié)果首先驗(yàn)證約束是否合理，是否滿(mǎn)足約束。這部分已經(jīng)在后處理部分得到驗(yàn)證。下面驗(yàn)證反作用力是否合理。首先列出反作用力，操作如下：GUI: Main Menu>General

12、Postproc>List Results>Reaction Solu在Item to be listed（被顯示項(xiàng)目）列表中選擇All struc forc F（所有結(jié)構(gòu)反作用力），然后單擊OK按鈕。由于模型沒(méi)有直接承受外力，所以平衡方程中合力應(yīng)該為零。徑向力（FX）大小為4.6N，接近零。通過(guò)更加精確地選擇rc可以將徑向力變得更小。周向合力FY和軸向合力FZ也非常小，但不為零，具體原因是FX不為零，因此結(jié)構(gòu)平衡方程是一個(gè)近似值。3結(jié)論(1) 建模：熟悉了基本的建模操作，掌握了布爾減操作；掌握了如何通過(guò)Space Ratio控制網(wǎng)格細(xì)化參數(shù)；掌握了工作坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法，能夠根據(jù)需要轉(zhuǎn)動(dòng)或者平移工作平面，了解節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的含義及其與整體坐標(biāo)系的關(guān)系。(2) 施加載荷和求解：掌握了通過(guò)函數(shù)定義模型邊界條件的方法，能夠根據(jù)不規(guī)則邊界定義相應(yīng)的函數(shù)。(3) 查看分析結(jié)果：掌握了顯示變形圖形和應(yīng)力等值線(xiàn)圖的操作，了解不同坐標(biāo)系下同一個(gè)參量的不同表達(dá)方式，如在柱坐標(biāo)中FY對(duì)應(yīng)的是環(huán)向應(yīng)力，而在笛卡兒坐標(biāo)系中則是y；能夠通過(guò)動(dòng)畫(huà)顯示參數(shù)的變化過(guò)程；掌握靜力分析問(wèn)題基本的驗(yàn)證技巧，知道如何通過(guò)已知的數(shù)據(jù)及常識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷。(4) 結(jié)論梁結(jié)構(gòu)受靜力時(shí)的應(yīng)力有限元分析，不僅基本符合人工計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，而且在精度方面有一定優(yōu)勢(shì)。計(jì)算速