开口闭口件力学特性-材料力学论文.pdf

开口薄壁杆件与闭口薄壁杆件力学特性实验 冯天霖 孔令君 （机电学院 010113 班） 指导教师：张亦良 摘要：本文运用电测法测定了槽钢的弯心，研究了剪应力及斜弯曲载荷角度对试件所产生的 影响，对方钢静定与超静定的应力和挠度进行了测量及对比分析，并用ANSYS 模拟试验情 况。对实验中发现的问题，经过详细研究讨论，得出了试件加载时固定端不牢是造成误差主 要原因的假设。对此设计了新实验。通过后续实验，进一步验证了我们的假设。由此提出了 设备改进方案。 关键词：方钢；槽钢；弯心；电测法；ANSYS 数值模拟 1 引言 1.1 工程背景 薄壁杆件如槽钢、角钢等在工程中有重要 的作用。在大型钢结构中，用途更加广泛。沈 阳金杯汽车厂由于与宝马合资，需进行厂房改 造，改造过程中一个重要任务是拆除原有的三 根立柱，而用钢梁代替。钢梁的支撑、厂房屋 架结构等多是应用槽钢和角钢作为珩架支撑 的。厂房结构（见图1）。 图1 金杯汽车厂生产车间厂房结构 1.2 杆件力学特性 薄壁杆件受力时，当外力通过槽形截面的弯心时，截面的弯曲内力就能与之平衡。 如果外力不过弯心，则需将此力向弯心化简，得到一个过弯心的力P 和一个扭矩Pe 。 过弯心的力P 使杆产生弯曲，扭矩Pe 将使梁扭转。由于槽钢角钢之类的开口薄壁截面 抗扭能力很低，因此在横截面内将产生很大的扭转剪应力。在工程上是极为不利的。为 了避免产生扭转，必须使外力作用线通过弯心。对于开口薄壁杆件受扭转这类问题的研 究，是从Timoshenko 教授在1905 年对工字形梁的约束扭转开始的，至今已近一百年。 在本文中，我们力图研究开口、闭口截面的构件在不同的受力状态下的应力变形特性。 9 1.3 实验研究内容 在本实验中，进行了以下内容的研究： 1、 确定槽钢的弯心 2 、 用ANSYS 模拟槽钢的受力情况 3、 计算剪应力 4 、 方钢静定与超静定应力、挠度的对比 1.4 本文的主要工作 我们选取了方钢、槽钢和角钢作为闭口与开口薄壁杆件为代表进行实验。首先我们 用材料力学的公式对槽钢的弯心进行了计算，然后对槽钢进行加载，通过对加载点的变 换用实验的方法来确定槽钢的弯心。同时，计算加载时的剪应力。但是实验中我们得到 的结果却和预期的计算相差甚远。通过反复研究分析发现，实验中遇到的问题不符合材 料力学的公式要求，其最主要的原因是实验加载端固定不牢。对此，我们重新设计了实 验，并结合ANSYS 进行数值模拟来验证我们的假设。通过后续实验，我们的假设得到 了验证。固定端不是真正的“固定”。对此，我们提出了一些改进方案。 2 理论分析模型 2.1 弯心判定原理 对于受横力弯曲的槽钢，当载荷没有作用在弯心时，则横截面同时受到弯矩及扭矩 共同作用，加载方案见图2 ，试件表面的应力状态如见图3 。 P P B A L 图2 槽刚受力模型(虚线箭头表示查找弯心时载荷的位置变动) 10 τ σ/2 σ/2 τ τ σ + τ σ =