純彎曲梁的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)之ANSYS分析-理論、實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)果對(duì)比

2017-04-26  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

純彎曲梁的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)是高校材料力學(xué)課的主要力學(xué)實(shí)驗(yàn)之一,純彎曲梁的正應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)怎樣使用ANSYS分析呢?ANSYS的有限元數(shù)值解與理論的解析解、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比的精度又如何呢?

本次ANSYS分析要重點(diǎn)掌握自定義梁截面的方法,進(jìn)一步熟悉剪力圖、彎矩圖和正應(yīng)力云圖的畫法,以及查詢梁截面某點(diǎn)的正應(yīng)力結(jié)果。

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一、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

使用材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)架中的純彎曲梁實(shí)驗(yàn)裝置,使橫梁受載荷作用發(fā)生彎曲變形,用電測(cè)法測(cè)出圖中5個(gè)測(cè)點(diǎn)的的應(yīng)變,進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)測(cè)試的正應(yīng)力。

材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)架、力與應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀

5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置,粘帖有電阻應(yīng)變片

力與應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀-接線方法

力與應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀-接線方法

應(yīng)變讀數(shù)

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二、問(wèn)題描述

一個(gè)長(zhǎng)為L的矩形截面梁,在與A、B距離為a的位置施加大小為P/2的載荷,梁的中段為處于純彎曲狀態(tài),計(jì)算中段純彎曲梁的正應(yīng)力。

問(wèn)題分析:

用梁?jiǎn)卧?/span>BEAM188建模分析。其單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。材料屬性輸入彈性模量和泊松比。單位制mm、N和MPa。為了能夠提取這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果數(shù)值,需要自定義梁截面。

計(jì)算結(jié)果:

5個(gè)測(cè)點(diǎn)的解析解與ANSYS解十分吻合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析解、ANSYS解的誤差在較大。

通常人們總是相信實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也相信解析解的結(jié)果,而總是懷疑ANSYS的模擬結(jié)果。而本例解析解和ANSYS解吻合非常好,反而與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差較大,這說(shuō)明什么問(wèn)題呢?說(shuō)明實(shí)驗(yàn)總是受各種因素干擾,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與應(yīng)變片的質(zhì)量、粘貼應(yīng)變片的位置、溫度補(bǔ)償、儀器的精度、儀器校驗(yàn)等等因素有關(guān)。對(duì)于仿真計(jì)算,無(wú)論CAE分析人員的經(jīng)驗(yàn)如何,對(duì)一個(gè)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),每個(gè)人建模后總能計(jì)算出一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果,但每個(gè)人的ANSYS結(jié)果通?？偸遣灰粯拥?如何評(píng)價(jià)每位分析人員的結(jié)果呢?歡迎各位閱讀者留言討論。

剪力云圖

彎矩圖

正應(yīng)力云圖

測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

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三、GUI步驟

(一)自定義截面

1.進(jìn)入ANSYS

程序→ ANSYS15.0 → ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file → Run。

2.自定義截面

(1)定義單元類型

①指定單元類型:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/ Edit/ Delete→Add→在左列表框中選擇Not Solved,在右列表框中選擇Mesh Facet 200→OK。

②設(shè)置單元選項(xiàng):Options →K1:QUAD 8-NODE→OK。

(2)創(chuàng)建面:Main Menu > Preprocessor >Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions →X1, X2:0,40 → Y1, Y2:0,20 → OK。

(3)設(shè)置線的份數(shù):

①打開關(guān)鍵點(diǎn)和線編號(hào):Utility Menu> PlotCtrls> Numbering→LINE: On→ OK。

②顯示線:Utility Menu> Plot> Lines。

③設(shè)置線的份數(shù):Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Lines > PickedLines → 選擇線1和線3 → NDIV:4 → Apply → 選擇線2和線4 → NDIV:2 → OK。

(4)劃分單元:Main Menu >Preprocessor >Meshing >MeshTool →Mesh: Areas;Mesh→Pick All → OK。

(5)保存自定義的截面文件:Main Menu > Preprocessor >Sections > Beam > Custom Sections > Write From Areas →Pick All → FILE:sect1.SECT→ OK。

(二)梁建模計(jì)算

1.清空數(shù)據(jù)庫(kù)

Utility Menu> File > Clear Database & Start News → OK → Yes。

2.設(shè)置單元屬性

(1)定義單元類型:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/ Edit/ Delete → Add → 在左列表框中選擇Beam,在右列表框中選擇2 node 188 → options → K3:Cubic Form;K4:Include Both → OK。

(2) 自定義截面

①讀取自定義截面:Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Custom Sections > Read Sect Mesh → Browse → 選擇sect1.SECT→ OK。

②顯示截面信息:Main Menu> Preprocessor> Sections> Beam> Plot Section→ 選擇截面號(hào)ID:1;Show section mesh?:Yes→ OK。

(3)設(shè)置材料屬性:Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural →Linear → Elastic → Isotropic → EX:2.06e5,PRXY:0.26 → OK。

3.建立幾何模型

(1)生成關(guān)鍵點(diǎn):Main Menu >Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS → 依次輸入關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào)和坐標(biāo):1 (0,0,0),2 (125,0,0),3(475,0,0),4(600,0,0)→ OK。

(2)創(chuàng)建直線:Main Menu >Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Line→ 依次拾取關(guān)鍵點(diǎn)1和2,2和3,3和4,創(chuàng)建3條直線 → OK。

(3)打開關(guān)鍵點(diǎn)和線編號(hào):Utility Menu> PlotCtrls> Numbering→ 框選KP:On,LINE:On→ OK。

(4)顯示線:Utility Menu>Plot> Lines。

4.劃分網(wǎng)格

(1)設(shè)置線的單元屬性:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool → 在Element Attributes下方選擇Lines Set → 拾取線Pick All → OK → 選擇MAT:1,TYPE:1,SECT:1→ OK。

(2)設(shè)置單元尺寸:Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Size Controls下方選擇Lines Set → Pick All → SIZE:12.5→ OK。

(3)劃分梁?jiǎn)卧?Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool → Mesh:Lines→ Mesh → Pick All → OK。

(4)打開梁?jiǎn)卧膯卧螤?Utility Menu >PlotCtrls > Style > Size and Shape → [/ESHAPE]: On。

(5)顯示單元:Utility Menu > Plot > Element。

5.施加邊界條件

(1)施加約束:Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural >Displacement > On Keypoints → 拾取關(guān)鍵點(diǎn)1→ OK → Lab2:UX, UY, UZ, ROTX → Apply → 拾取關(guān)鍵點(diǎn)4→ OK → Lab2:UY, UZ → OK。

(2)施加載荷:Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural>Force/ Moment > On Keypoints → 拾取關(guān)鍵點(diǎn)2和3→ OK → Lab:FY,VALUE:-250 →OK。

(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Load.db→ OK。

6.求解

(1)求解:Main Menu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。

(2)保存結(jié)果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Solve.db→ OK。

7.后處理

(1)畫剪力圖和彎矩圖

①查找定義單元表的方法

打開ANSYS Help,搜索BEAM188。

找到BEAM188的單元介紹頁(yè)面后,頁(yè)面中查表Table 188.1和Table 188.2,表中Fx是軸力,SF:y, z是剪力,My,Mz是彎矩。本例應(yīng)選表中紅色的編號(hào)。

②定義彎矩、剪力單元表:Main Menu > General Postproc > Element Table > Define Table → Add

→ Lab:SFYI;Item:By sequence sum;SMISC, 6 → Apply

→ Lab:SFYJ;Item: By sequence sum;SMISC, 19 → Apply

→ Lab:MZI;Item:By sequence sum;SMISC, 3 → Apply

→ Lab:MZJ;Item:By sequence sum;SMISC, 16 → OK→ Close。

③將彎矩單位N.mm轉(zhuǎn)換成N.m:Main Menu >General Postproc >Element Table >Add Items → LabR:MZI; FACT1:0.001; Lab1:MZI; FACT2:0; Lab2:-none→ Apply → LabR:MZJ; FACT1:0.001; Lab1:MZJ; FACT2:0; Lab2:-none → OK。

④畫彎矩圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line Elem Res > LabI:MZI;LabJ:MZJ >OK。

⑤畫剪力圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line Elem Res > LabI:SFYI;LabJ:SFYJ > OK。

(2)查看正應(yīng)力

①畫正應(yīng)力云圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu→ Nodal Solution → Stress → X-Component stress →OK。

②顯示具體點(diǎn)正應(yīng)力:Main Menu > General Postproc > Query Results > Subgrid Solu → Item:Stress,X-direction SX → OK → 勾選generate 3D Anno → 拾取所要顯示的測(cè)點(diǎn)→ OK。

四、GUI步驟視頻版

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五、APDL步驟

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/PREP7

ET,1,MESH200 !單元類型

KEYOPT,1,1,7 !八節(jié)點(diǎn)的面

RECTNG,,40,,20, !幾何面

LESIZE,1, , ,4, , , , ,1 !線的份數(shù)

LESIZE,3, , ,4, , , , ,1

LESIZE,2, , ,2, , , , ,1

LESIZE,4, , ,2, , , , ,1

MSHAPE,0,2D

MSHKEY,0

AMESH,1 !劃分單元

SECWRITE,sect1,SECT !保存自定義的截面文件

FINISH

/CLEAR,START !清空數(shù)據(jù)庫(kù)

/PREP7

ET,1,BEAM188 !單元類型

KEYOPT,1,3,3

KEYOPT,1,4,2

MP,EX,1,2.06e5 !材料屬性

MP,PRXY,1,0.26

SECTYPE,1,BEAM,MESH, !讀取自定義截面

SECOFFSET,CENT,,,

SECREAD,'sect1','SECT',' ',MESH

SECPLOT,1,0 !顯示截面信息

K,1,,,, !關(guān)鍵點(diǎn)

K,2,125,,,

K,3,475,,,

K,4,600,,,

LSTR,1,2

LSTR,2,3

LSTR,3,4

LATT,1, ,1, , , ,1

LESIZE,all,12.5, , , , , , ,1 !單元尺寸

LMESH,all !線分網(wǎng)

/ESHAPE,1.0 !打開單元形狀

/VIEW,1,1,2,3 !調(diào)整視圖

FINISH

/SOL

DK,1, , , ,0,UX,UY,UZ,ROTX, , , !約束

DK,4, , , ,0,UY,UZ, , , , ,

FK,2,FY,-250 !載荷

FK,3,FY,-250

SOLVE

FINISH

/POST1

ETABLE,SFYI,SMISC, 6 !剪力單元表

ETABLE,SFYJ,SMISC, 19

ETABLE,MZI,SMISC, 3 !彎矩單元表

ETABLE,MZJ,SMISC, 16

SADD,MZI,MZI, ,0.001,0, , !N.mm轉(zhuǎn)換成N.m

SADD,MZJ,MZJ, ,0.001,0, ,

/VIEW,1,,,1 !調(diào)整視圖

PLLS,SFYI,SFYJ,1,0 !剪力圖

PLLS,MZI,MZJ,1,0 !彎矩圖

/VIEW,1,1,2,3 !調(diào)整視圖

PLNSOL, S,X, 0,1.0 !正應(yīng)力云圖

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