基于ANSYS的木板床的有限元分析

1、基于ANSYS的木板床的有限元分析姚美良（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）摘要：木板床是我們生活中的必需品。本文主要利用ANSYS來(lái)分析不同重量的人躺在床上的時(shí)候，木板床的應(yīng)力應(yīng)變；并通過(guò)不同的網(wǎng)格劃分進(jìn)行同一目標(biāo)的計(jì)算。對(duì)比兩種不同的情況，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格的優(yōu)劣，對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響較大；找到木板床整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，并且通過(guò)對(duì)比不同種材料屬性的木頭的床體應(yīng)變，為木床選材提供了部分依據(jù)。關(guān)鍵詞：木板床；ANSYS；有限元；對(duì)比分析中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：Finite element analysis of wood bed based on ANSYSYA

2、O Meiliang（Faculty of Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan, 650500, China）Abstract：Board bed is a necessity in our life. This paper mainly uses ANSYS to analyze the stress strain of the wood bed when people lying in bed with different weight, and calculate

3、 the same target by different grid. The advantages and disadvantages of grid influence on the calculation results, find plank bed the whole structure of the weak point and through the comparison of different kinds of material attributes of wood bed body strain, as the material of the wooden bed prov

4、ides part of the basis of the comparison of two different cases.Key words：Wood bed ；ANSYS；Finite element；Comparative analysis0引 言木板床在我們的生活中非常常見(jiàn)，而且是我們的生活必須品，我們每天都會(huì)接觸到。不過(guò)，我們的木板床應(yīng)該選用什么樣的木頭？應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)它的結(jié)構(gòu)模型，才能使得一張床用的久呢？本文主要討論不同荷載情況下，木板床的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。同時(shí)，由于現(xiàn)在有限元的流行，使用有限元解決這類(lèi)問(wèn)題變得非常方便。本文還針對(duì)不同類(lèi)型的網(wǎng)格單元，不同的劃分狀況，對(duì)比分析其對(duì)計(jì)算結(jié)

5、果的影響。旨在分析使用不同方法劃分的網(wǎng)格，得到對(duì)于同一對(duì)象分析結(jié)果的差異，為以后計(jì)算同類(lèi)問(wèn)題提供經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于上面的些許問(wèn)題筆者沒(méi)有做到詳盡的分析和解釋?zhuān)疚闹皇瞧鸬綊伌u引玉的作用。為了方便模擬加載情況，將兩個(gè)體重分別為65kg和80kg的人的荷載簡(jiǎn)化成為矩形面力施加于木板床上。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化荷載，取兩個(gè)人的平均肩寬為0.38m，高度均為1.7m。這樣通過(guò)計(jì)算大約分別相當(dāng)于1006pa和1238pa的兩個(gè)面力作用于床面上。其結(jié)構(gòu)的幾何模型如圖1。圖1. 木床幾何模型的側(cè)視圖圖2. 木床幾何模型的正視圖1 ANSYS有限元模型的建立首先，選擇分析類(lèi)型為結(jié)構(gòu)。然后，定義單元類(lèi)型。本次計(jì)算統(tǒng)一采用的單元

6、為SOILD185（Brick 8 node 185），Solid185單元用于構(gòu)造三圍固體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。單元具有超彈性，應(yīng)力鋼化，蠕變，大變形和大應(yīng)變能力2。最后定義材料參數(shù)。本次計(jì)算選取了筆者家鄉(xiāng)的兩種木頭，分別是中林14楊和易縣毛白楊1，它們各自的材料屬性如表1 。 表1樹(shù)種 屬性彈性模量（pa）泊松比密度（kg/m3）易縣毛白楊 （項(xiàng)目1）8.826 x1090.4429中林14楊（項(xiàng)目2）8.728 x1090.35361利用ANSYS所建立的有限元模型如圖3：圖3. 木板床的有限元模型2 網(wǎng)格的劃分有限元網(wǎng)格的劃分其實(shí)就是將

7、模型進(jìn)行離散化處理，當(dāng)然，ANSYS提供了很多種網(wǎng)格類(lèi)型和劃分方式，針對(duì)不同的網(wǎng)格類(lèi)型劃分出的不同的離散化模型，所得到的計(jì)算結(jié)果是存在出入的。本文主要采用三角形單元和六面體單元分別劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比兩種情況結(jié)果的差異。其中三角形單元?jiǎng)澐值那闆r如圖4，六面體單元分的情況如圖5。圖4. 三角形單元?jiǎng)澐智闆r 圖5. 六面體單元?jiǎng)澐值那闆r通常劃分網(wǎng)格的數(shù)量越多，對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求也就越大。鑒于筆者的計(jì)算機(jī)性能有限，這里以比較少的單元數(shù)量劃分，并沒(méi)有將劃分網(wǎng)格的選項(xiàng)調(diào)為Fine或者更高。調(diào)用工作狀態(tài)信息如下。我們可以查看劃分網(wǎng)格的情況這里僅展示以三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的情況（六面體單元分的查看方式情況是一

8、樣的）?？梢钥闯?，劃分的網(wǎng)格有2059個(gè)單元，有1355個(gè)節(jié)點(diǎn)。G L O B A L S T A T U SANSYS - Engineering Analysis System Jun 05, 2015 16:23Release 14.0 00205070 INTEL NT VersionCurrent working directory: D:PROJECTMENULIST File: D:ANSYS Incv140ANSYSguien-usUIDLmenulist140.ans Product(s) enabled: ANSYS Multiphysics/LS-DYNA Total c

9、onnect time. . . . . 2 hours 13 minutesTotal CP usage. . . . . . . 0 hours 3 minutes 53.5 secondsJ O B I N F O R M A T I O NCurrent jobname . . . . . .122 Initial jobname . . . . . .122 Units . . . . . . . . . . .unknown Available UsedScratch Memory Space. . . . 512.000 mb 263.251 mb ( 51.4%)Databas

10、e space . . . . . . 65535.750 mb 14.438 mb ( 0.0%)User menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIMENU.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIFUNC1.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLUIFUNC2.GRNUser menu file in use . . .%ANSYS140_DIR%guien-usUIDLMECHTO

11、OL.AUIBeta features . . . . . . .are not shown in the user interfaceM O D E L I N F O R M A T I O NSolid model summary: Largest Number Number Number Defined SelectedKeypoints . . . . . . . . . 79 71 71Lines . . . . . . . . . . . 163 135 135Areas . . . . . . . . . . . 97 70 70Volumes . . . . . . . .

12、. . 16 9 9Finite element model summary: Largest Number Number Number Defined SelectedNodes . . . . . . . . . . . 1355 731 731Elements. . . . . . . . . . 2059 1875 1875Element types . . . . . . . 1 1 n.a.Real constant sets. . . . . 0 0 n.a.Material property sets. . . 1 1 n.a.Coupling. . . . . . . . .

13、 . 0 0 n.a.Constraint equations. . . . 0 0 n.a.Master DOFs . . . . . . . . 0 0 n.a.Dynamic gap conditions. . . 0 0 n.a.3 邊界條件以及荷載的施加劃分好了網(wǎng)格之后的下一步自然是施加邊界條件和加載。本文限于篇幅，僅僅展示三角形單元的加載以及約束情況，六面體單元?jiǎng)澐值木W(wǎng)格系統(tǒng)加載和邊界條件的施加是一樣的。本次模擬所施加的邊界條件為將四個(gè)床腿施加全約束。在進(jìn)行這些步驟之前還有一部很重要的是施加慣性力（本次計(jì)算取慣性力為9.81）。慣性力的施加如圖6；邊界條件如圖7。圖6. 慣性力的施

14、加（紅色箭頭） 圖7. 邊界條件加載情況如圖8：圖8. 荷載施加、慣性力以及約束4 計(jì)算接下來(lái)的一步是計(jì)算，因?yàn)樗獙?duì)比分析的項(xiàng)目較多。故將易縣毛白楊和中林14楊分為兩個(gè)項(xiàng)目。前者為項(xiàng)目1后者為項(xiàng)目2。首先來(lái)看項(xiàng)目1的計(jì)算情況。對(duì)于項(xiàng)目1我們需要對(duì)比的不同荷載作用結(jié)構(gòu)之上后，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)；以及對(duì)于項(xiàng)目1不同網(wǎng)格劃分情況（取一組相同的荷載）對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。項(xiàng)目1施加1006pa的荷載以及1238pa的荷載（分別對(duì)應(yīng)60kg和80kg的人的重量），它們的計(jì)算結(jié)果用網(wǎng)格變形和位移云圖來(lái)顯示分別如圖9-12。圖9. 網(wǎng)格變形圖 圖10.位移云圖圖11. 網(wǎng)格變形圖 圖12. 位移云圖下面來(lái)看一下六面體

15、網(wǎng)格的計(jì)算情況，為了對(duì)比方便，取同一荷載1006pa作為分析，計(jì)算結(jié)果與圖9-10相比。主要是對(duì)比在相同的荷載（1006pa）作用下，相同的材料屬性，不同的網(wǎng)格劃分情況，查看計(jì)算結(jié)果的差異。計(jì)算結(jié)果如圖13-14圖13. 六面體劃分網(wǎng)格計(jì)算的網(wǎng)格變形 圖14. 六面體劃分網(wǎng)格計(jì)算的位移云圖然后是對(duì)于項(xiàng)目2的對(duì)比分析。計(jì)算兩種不同荷載（1006pa和1238pa）作用情況下，結(jié)構(gòu)的反映情況。還是以三角形劃分網(wǎng)格模型為主要計(jì)算對(duì)象。圖15-16分為1006pa的面力作用于三角形網(wǎng)格模型，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格變形和位移云圖；圖17-18分別為1238pa的面力作用于三角形網(wǎng)格模型，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格變形和位移云圖。圖

16、15. 網(wǎng)格變形圖 （1006pa） 圖16. 位移云圖（1006pa）圖17.網(wǎng)格變形圖（1238pa） 圖18. 位移云圖（1238pa）變換劃分網(wǎng)格的模式，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。得到的計(jì)算結(jié)果如圖19-20。 圖19. 六面體網(wǎng)格的變形（1006pa） 圖20. 六面體網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果位移云圖（1006pa）5結(jié)果分析通過(guò)項(xiàng)目1的圖9-12，我們可以看出相同的材料參數(shù)，相同的網(wǎng)格劃分，不同的荷載作用，雖然變形差距不是很大，但是還是能看得出荷載越大變形越大。通過(guò)對(duì)比圖9-10和圖13-14我們可以看出，相同的荷載，相同的材料屬性，不同的網(wǎng)格劃分得到的計(jì)算結(jié)果出入較大。圖13-14所劃分的網(wǎng)

17、格較為規(guī)整，而且網(wǎng)格數(shù)量較三角形單元?jiǎng)澐值木W(wǎng)格多一倍?？梢钥吹搅骟w的網(wǎng)格分析的結(jié)果較為準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)比項(xiàng)目2的圖15-18，我們可以得到與項(xiàng)目1相同的結(jié)論。但是通過(guò)對(duì)比項(xiàng)目1、2；相同的荷載，相同的約束，相同的網(wǎng)格劃分，不同的材料屬性，我們可以看出易縣毛白楊的變形相對(duì)于中林-14楊稍大，歸其原因在于泊松比的差異。可以看出兩種木材，單純就力學(xué)屬性上的變形情況，兩種木材中的中林-14楊作為木床選材相對(duì)較好（僅是相對(duì)而言）。通過(guò)對(duì)比分析圖13-14和圖19-20，可以看出六面體劃分網(wǎng)格，在相同的荷載，相同的約束，不同的材料屬性下，得到的結(jié)論是項(xiàng)目2的變形相對(duì)較小，這與用三角形單元分析得出的結(jié)論是相同的。說(shuō)明用于床的選材，考慮結(jié)構(gòu)的整體變形，以及承載力（忽略木頭的其他屬性），中林-14楊優(yōu)于易縣毛白楊。參考文獻(xiàn)1 王桂巖, 王彥, 李善文, 等. 13