基于ANSYS梁结构静力分析.doc

基于ANSYS梁结构静力分析 李亚锋 072092 20091001861 摘要： 采用大型通用软件ANSYS，对梁结构受弯矩力时工况进行三维有限元静力分析，计算结果，分析梁体应力分布情况。 关键词： 梁结构；ANSYS；有限元；静力分析 引言 梁结构是生活中常见的结构，为了全面了解梁结构在受到弯矩力时梁体应力分布状态，采用ANSYS三维有限元对梁结构进行工况静力计算，分析梁体应力、位移情况。 概况 1.1 梁体的结构与受力 梁的截面形状为梯形截面，各个截面尺寸相同。两端受弯矩沿中性面发生弯曲，如图1-1所示。利用ANSYS软件对此梯形截面梁进行静力学分析，以获得沿梁AA截面的应力分布情况。 1.2 问题分析 由于此问题不是轴对称的，梁上各点位移呈圆弧状，有弯曲半径和弯曲中心，所以采用三维实体单元要比采用轴对称单元好一些。其几何形状可以通过柱坐标建立。 1.2.1 合理简化模型 由于梁弯曲部分的应力不随θ变化，所以可以适当简化模型，取图1-2所示的切片。AB和CD边夹角为5°。 由于不知道切片两侧截面上轴向应力的分布情况，所以只能将弯矩M直接作用在简化模型上。在定义位移约束时仍认为切片两侧保持平面，切片两端只受纯弯矩载荷，即切片端面不受外力载荷。通过有限元分析可以得到受弯矩切片端面处的应力分布情况。因应力与所受弯矩呈线性关系，所以截面上的应力与切片两端面所受弯矩Mp紧密相关。当z值不变时，梁的截面上点A、B、C和D对称分布，所以，分析梁截面时只需取截面的一半。 1.2.1 描述模型的边界条件 任意节点处沿u（径向）、v（环方向）、w（轴向）的约束情况如表1-1所示。 表1-1 约束条件 1＃面（Face 1） 2＃面（Face 2） U=0（节点A） 无 V=0（所有节点） V=0.0001(rc -r)（所有节点） W=0（沿AB边） W=0（沿CD边） 切片上所有节点均被约束。A节点处，u=0可阻止切片沿r方向做刚体运动；1＃面上所有节点v=0可防止1＃面做圆周运动，对于ABCD由w=0保证切片模型的对称性；2＃面上BC保证2＃面绕r= rc面转动时，2＃面保持平面。比例系数0.0001，这是随意取的，没有特别含义。开始时，不知道rc的确切值，由于rc对应的是纯弯矩，所以A节点处的反作用力Ra为零。假设开始时，rc =60mm或rc =70mm，则两个rc 值对应的Ra分别为2001N和357N。根据线性推断，当Ra=0时有rc =72.2mm。所以，在分析过程中，取rc =72.2mm（为了分析过程简洁，所以在这里给出rc值，实际问题分析中，读者只能自己确定rc 值）。 有限元模型的建立 2.1选择单元和定义实常数、材料属性 由于采用柱坐标进行三维实体分析，所以选择的单元为8节点6面体单元。 由于分析不需要定义实常数，因此可以选择默认值。 定义弹性模量和泊松比 ： 杨氏模量： 200e9 泊松比： 0.3 2.2定义几何参数 根据切片模型，首先定义切片顶点的8个关键点，然后通过关键点生成切片实体模型。在柱坐标系中生产所需关键点。由于4个关键点是模型图上的A、B、C、D，另外4个是有同样的r和θ但没有显示出来的z轴方向上的与前4个关键点对应的关键点。因此，需要通过模型几何参数创建。 通过参数定义几何实体的操作如下： R1=44e-3 R2=R1+88e-3 Z1=65e-3 Z2=14e-3 2.3 定义关键点 由于几何模型将在柱坐标中创建，所以首先要将坐标系转换到柱坐标。 注意：当当前坐标系为柱坐标时，输入提示菜单中的X、Y和Z对应柱坐标的r、θ（单位为度）和Z。 关键点坐标参数如下： 1＃关键点 X=R1，Y=90，Z=0 2＃关键点 X=R1，Y=95，Z=0 3＃关键点 X=R1，Y=95，Z=Z1 4＃关键点 X=R1，Y=90，Z=Z1 5＃关键点 X=R2，Y=90，Z=0 6＃关键点 X=R2，Y=95，Z=0 7＃关键点 X=R2，Y=95，Z=Z2 8＃关键点 X=R2，Y=90，Z=Z2 2.4生成切片模型 通过已定义的8个关键点生成实体模型：首先连接底部的关键点，然后连接顶部的关键点。这些操作均需在笛卡儿坐标系中进行。通过连接关键点而成的线为直线，即切片的边为直边。此处需要这些边为直边，而柱坐标系中生成的线却是曲线。 依生成关键点的顺序依次选择关键点，即可得到切片实体模型，结果如图2.1所示。