[原创]感知结构概念-纵横弯曲变形-ANSYS分析

2017-02-24  by:CAE仿真在线  来源:互联网

导读:梁在横向载荷作用下,轴向受压,增大横向变形;轴向受拉,减小横向变形。考虑纵横弯曲,需打开大变形选项。

一、模型演示

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以下模型演示通过施加预应力可使分散的木块连接以构成梁或柱。

图a所示为一系列中心带有小孔的木块,通过一根金属线将它们连接在一起。金属线的一端穿过支架,而另一端则被固定在支架上,以免木块滑落。此时木块只是悬挂在金属线上,不能承受任何载荷(包括自重)。

(a) 无预应力状态

如果在金属线的右端悬挂重物使金属线张紧,此时支架和彼此互相挤压的木块就形成了一个可承受外载荷的结构,如图b所示。

(b) 有预应力状态

模型演示图片来源:英国曼彻斯特大学季天健教授。

二、定义和概念

预应力:预应力是一种使结构构件在承受载荷前即产生应力的技术。它可以用于减小结构在外载荷作用下的应力或位移,也可使张力结构生成某种特定的形状。

预应力的作用有:

1)产生内力重新分布:通过减小最大内力获得更轻的结构。

2)避免开裂:使结构始终处于受压状态,避免出现裂缝。

3)提高结构或构件的刚度。

纵横弯曲:讨论拉伸(压缩)与弯曲组合变形时,假定杆件的刚度很大,弯曲变形很小,因而忽略轴向力对弯曲的影响。但如杆件的刚度较小,弯曲变形较大,则轴向力对弯曲变形的影响不能忽略。当轴向力为压力时,它将增加杆件的弯曲变形,更加不应忽视。像这类同时考虑横向力和轴向力的弯曲变形问题,称为纵横弯曲。

简言之,梁在横向载荷作用下,轴向受压,增大横向变形;轴向受拉,减小横向变形。

三、问题描述

一简支梁,总长l =0.5m,其中取c= l/2,横截面尺寸b = 1.2mm,h=39 mm,弹性模量E= 200 GPa,泊松比u =0.3。受集中力F2= 10N,轴向力F1 =15N;计算梁的弯曲变形。

问题分析:用BEAM188梁单元建模。考虑纵横弯曲,需打开大变形选项。对于图示的简支梁,在A点约束UX、UY、UZ和ROTX,在B点约束UY和UZ。约束A点ROTX是为了防止刚体转动位移。

计算结果

1.挠度结果对比

2.挠度云图

三、理论计算

参考教材:刘鸿文.材料力学(第5版)[M]. 北京:高等教育出版社,2011: 308-310.

四、GUI步骤

1.进入ANSYS

程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改变workingdirectory到指定文件夹 → 在jobname输入:file→ Run。

2.定义单元属性

(1)定义单元类型:

①指定BEAM188单元:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete →Add →在左列表框中选择Beam,在右列表框中选择2node 188 →OK。

②设置单元选项:Options→Element behavior K3:CubicForm(三次形函数) →OK。默认情况下Element behavior是一次形函数,为了提高计算精度和减少单元个数,改成三次形函数。

(2)定义截面:MainMenu >Preprocessor >Sections >Beam >Common Sections →ID:1,在Sub-Type下拉框选择指定的矩形截面图形,B:1.2,H:39,Nb:10,Nh:10 →Meshview→OK。Nb和Nh是横截面的份数,截面默认分2份。

(3)设置材料属性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→Linear →Elastic → Isotropic → EX:2e5,PRXY:0.3→ OK。

3.建立几何模型

(1)生成关键点:Main Menu>Preprocessor >Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次输入关键点的编号和坐标:1 (0,0,0),2 (250,0,0),3 (500,0,0)→OK。

(2)创建直线:Main Menu >Preprocessor>Modeling >Create >Lines >Lines >Straight Line →拾取1和2→ Apply →拾取2和3→OK。

4.划分网格

(1)设置线的单元属性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在ElementAttributes下方选择Lines Set→ 拾取线1和2→OK →选择MAT:1,TYPE:1,SECT:1→OK。单元类型编号、截面编号和材料编号只有一种,可默认,不需要指定,此步骤可省略。

(2)设置单元尺寸:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在SizeControls下方选择Global Set →SIZE:10→OK。每10mm划分一个单元。

(3)划分梁单元:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →Mesh:Lines→ Mesh → Pick All。

5.施加边界条件

(1)施加约束:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Displacement >OnKeypoints →拾取关键点1 → OK → Lab2:UX、UY、UZ和ROTX→ Apply →拾取关键点3 → OK → Lab2:UY和UZ→ OK。

(2)施加集中力:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment>On Keypoints → 拾取关键点2 → OK → Lab:FY,VALUE:-10 → OK。

(3)施加轴向压力:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment >On Keypoints → 拾取关键点3 → OK → Lab:FX,VALUE:-15 → OK。

(4)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 输入file.db→ OK。

6.求解

(1)指定分析类型为静力分析:MainMenu >Solution >Analysis Type >New Analysis → Static → OK。

(2)打开大变形选项:MainMenu >Solution >Analysis Type >Sol’n Controls → Basic →AnalysisOptions:Large Displacement Static→ OK。

(3)求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。

(4)退出求解器:MainMenu>Finish。

7.后处理

查看变形:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → DOF Solution→ Y-Componentof displacement→OK。

8.退出ANSYS软件

Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK。

五、APDL步骤

/PREP7

ET,1,BEAM188 !单元类型

KEYOPT,1,3,3 !形函数

MP,EX,1,2e5 !材料属性

MP,PRXY,1,0.3

SECTYPE, 1, BEAM, RECT, ,0 !截面属性mm

SECOFFSET, CENT

SECDATA,1.2,39,10,10,0,0,0,0,0,0,0,0

K,1,0,0,0 !关键点mm

K,2,250,0,0

K,3,500,0,0

L,1,2 !创建线

L,2,3

LESIZE,all,10, , , , , , ,1 !单元尺寸

LMESH, all !线分网

DK,1, UX !A点约束

DK,1, UY

DK,1, UZ

DK,1, ROTX

DK,3, UY !B点约束

DK,3, UZ

FK,2,FY,-10 !横向力N

FK,3,FX,-15 !轴向压力N

FINISH

/SOL !求解器

ANTYPE,0 !静力分析

NLGEOM,1 !打开大变形选项

SOLVE !求解

FINISH

/POST1 !后处理

/DSCALE,ALL,5 !变形比例

/dev,font,1,Courier*New,400,0,-18,0,0,,, !字体

/GFORMAT,F,12,3, !保留3位小数点

PLNSOL, U,Y, 0,1.0 !y方向变形

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