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重庆大学研究生有限元课程考核之平面梁单元的应力分析
平面梁单元的应力分析
一悬臂梁受力如图所示,已知材料参数,要求如下:
1.分别用梁单元和平面单元求解。
2.比较精度以及列举提高精度的措施。
3.提高力F,打开几何非线性选项,分析现象。
4.改变尺寸,讨论剪切变形的影响。
5.梁中间挖小孔,讨论应力集中的现象。
本题采用ABAQUS进行分析求解。
分别用梁单元和平面单元求解。
采用梁单元求解
步骤简述:
进入部件模块,选择2D,可变形模型,线,图形大约范围12(长度单位按m)。进入草图,选用折线,从(-5,0)→(5,0)绘出梁的轴线。
进入属性模块,创建截面几何形状,命名为Profile-1,选矩形截面,按图输入数据,a=0.25,b=0.5。定义截面力学性质,命名为Section-1,梁,梁,截面几何形状选Profile-1,输入E=2e10(程序默认单位为N/m2),ν=0.2,关闭。关闭。创建网格。键查询可得:
梁端部最大竖向位移(即81节点处):-0.769404m;
梁中间节点竖向位移(即41节点处):-0.24072m。
进入创建XY数据,场变量输出,选择空间位移U2,单元编号添加81(端结点)、41号(梁中结点)两节点,绘制出位移时间曲线如图1.2;
图1.2 图1.3
同理,查询得:
固定端处最大正应力(1节点处):1.1448e8 pa
梁中间节点上表面正应力(41节点处):5.688e8 pa
同样绘制出的应力时间曲线如图1.3。
采用壳单元求解
步骤简述:
这里不再详述,需要注意的是:创建部件时,选二维,可变形,壳,进入草图做一个长10m,高0.5m的矩形,截面时应该选用实体,均质,平面应力厚度为0.25m,q其余与梁单元建模类似。
结果分析:
应力云图见1.4图
图1.4
点击右上角的键查询可得:
梁端部最大竖向位移(即81节点处):-0.82025m;
梁中间节点竖向位移(即41节点处):-0.25751m。
进入创建XY数据,场变量输出,选择空间位移U2,单元编号添加81(端结点)、41号(梁中结点)两节点,绘制出位移时间曲线如图1.5;
图1.5 图1.6
同理,查询得:
固定端处最大正应力(1节点处):0.900183e8 pa
梁中间节点上表面正应力(41节点处):0.46e8 pa
应力时间曲线如图1.6。
比较精度以及列举提高精度的措施。
手算结果:
固定端处应力最大值(1):
两端部竖向最大位移值(81):
比较精度:
由前面可知,梁单元算得的端部竖向位移,壳单元,显然,梁单元更接近手算结果,精度更高。
提高精度的措施:
网格划分更精细些
提高力F,打开几何非线性选项,分析现象。
将力F提高前后,打开几何非线性前后分别按梁单元、壳单元计算的最大应力和最大位移列表如下3.1:
表3.1
分析表中数据可得到一下结论:
将力F提高分别提高2倍至2400000N:
打开几何非线性之前:最大正应力和最大竖向位移都增大了2倍
打开几何非线性之后:最大正应力和最大竖向位移没有相应增大到原来的2倍,即小于原值的2倍。
由于几何非线性的影响,梁的实际刚度变大了,从而使得相同集中力作用下位移减小。
改变尺寸,讨论剪切变形的影响。
这里仅讨论平面单元,将梁高增加到1m,其余都与前面一致,结果如下:
应力云图如下图4.1所示:
图4.1
梁端部最大竖向位移(即81节点处):-0.0983943m;
固定端处最大应力值为:2.54128e7 pa
由此可以看出,截面高度增加一倍,位移,应力值都下降了一个数量级,梁截面高度对刚度的影响非常大,与实际情况符合。
讨论剪切变形的影响:
对于一般的杆件(梁)而言,剪切变形的影响很小,对挠度的影响与弯曲变形相比可以忽略不计,但对于跨高比较小的梁(深梁),剪切变形的影响显著,必须加以考虑。
线性单元(B21和B31)和二次单元(B22和B32)是考虑剪切变形的Timoshenko梁单元;因此,它们既适用于模拟剪切变形起重要作用的深梁又适用于模拟剪切变形不太重要的细长梁。 ABAQUS假设这些梁单元的横向剪切刚度为线弹性和常数 。如果横向剪切变形是非常重要的,采用Timoshenko(二阶)梁单元(B22,B32)。
梁中间挖小孔,讨论应力集中的现象。
应力云图如图5.1,小孔处的应力云图如图5
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