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2017-02-20 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
導讀:矩形截面梁的切應力和扭轉角用ANSYS怎么計算呢?與解析解吻合嗎?
一、模型演示
本試驗演示了非圓形截面構件在扭矩作用下的扭轉效應。
取一根由海綿制成的矩形截面梁,在縱向畫出每個面的中心線,代表梁的中性層。再沿梁長度方向等間隔地畫出一系列垂直線,代表梁的不同橫截面。用塑料框架固定海綿梁的一端,對另一端施加扭轉。可以觀察到:
(1)代表梁橫截面的線不再保持平直。
(2)代表中性層的水平中心線與垂直線之間的夾角不再保持90°。
素材來源:
那么,矩形截面梁的切應力和扭轉角用ANSYS怎么計算呢?與解析解吻合嗎?
二、問題描述
矩形截面桿件的h= b = 20 mm,扭矩T= 200 N.m,剪切模量G = 80 GPa。計算矩形截面梁的切應力和扭轉角。
問題分析:只受扭轉,用梁單元BEAM188建模分析。梁單元的單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。設置材料屬性一般輸入彈性模量和泊松比,計算前需將剪切模量G轉換成彈性模量E,E =2G(1+u)。設泊松比u = 0.3,彈性模量E= 208 GPa。單位制mm、N和MPa。矩形截面桿件長度取80mm。
三、計算結果
經過ANSYS建模計算,以下是矩形截面梁的切應力和扭轉角的計算結果。由此可見,當梁的橫截面的份數多一些,更接近解析解。份數越多,ANSYS數值解趨于穩(wěn)定。
(1)計算結果列表
Nb和Nh是ANSYS中橫截面的份數,默認是2份。
(2)扭轉角云圖
①Nb=Nh=2
②Nb=Nh=16
(2)切應力云圖
①Nb=Nh=2
②Nb=Nh=16
四、理論計算
參考教材:劉鴻文. 材料力學 I (第5版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 91-93.
五、GUI步驟
1.進入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file → Run。
2.定義工作文件名及工作標題
(1)定義工作文件名:UtilityMenu > File > Change Jobname → Change Jobname → 輸入文件名file→ OK?？刹挥幂斎?默認為file。
(2)定義工作標題:UtilityMenu > File > Change Title → Change Title → 輸入Beam→ OK。可不用輸入。
3.定義單元屬性
(1)定義單元類型:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete→Add→在左列表框中選擇Beam,在右列表框中選擇2node 188→OK。
(2)定義截面:MainMenu >Preprocessor >Sections >Beam >Common Sections →ID:1,在Sub-Type下拉框選擇實心圓形截面圖形,B:20,H:20,Nb:2,Nh:2→ Meshview →Meshview →OK。
Nb和Nh是截面份數,對計算結果由較大影響。ANSYS無單位,需自己統(tǒng)一,本次采用N、mm和MPa單位制。
圖中Area是面積、Iyy和Izz是慣性矩、warping Constant翹曲常數、Torsion Constant是極慣性矩。
(3)設置材料屬性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→ Linear → Elastic → Isotropic → EX:2.08E5,PRXY:0.3→ OK。208 GPa=2.08E5 MPa。
4.建立幾何模型
(1)生成關鍵點:Main Menu >Preprocessor>Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次輸入關鍵點的編號和坐標:1 (0,0,0),2 (80,0,0) →OK。
(2)創(chuàng)建直線:MainMenu >Preprocessor >Modeling >Create >Lines >Lines >Straight Line →依次拾取1和2,創(chuàng)建1條直線 →OK。
5.劃分網格
(1)設置線的單元屬性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Element Attributes下方選擇Lines Set → 拾取線1 →OK →選擇MAT:1,TYPE:1,SECT:1→OK。單元類型編號、截面編號和材料編號只有一種,可默認,不需要指定,此步驟可省略。
(2)設置單元尺寸:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Size Controls下方選擇GlobalSet →SIZE: 10 →OK。每10mm劃分一個單元。
(3)劃分梁單元:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →Mesh:Lines→ Mesh → Pick All。
(4)打開梁單元的單元形狀:Utility Menu >PlotCtrls>Style >Size and Shape →[/ESHAPE]: On。
(5)顯示單元:Utility Menu > Plot > Element。
6.施加邊界條件
(1)施加約束:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Displacement >On Keypoints → 拾取關鍵點1→ OK → Lab2:All DOF→ Apply → OK。
如果只約束扭轉角位移ROTX,將導致如下錯誤,提示約束不足。BEAM188默認有6個自由度,雖然沒有施加其他方向的載荷,也應該約束其他方向的所有自由度All DOF。
(2)施加載荷:MainMenu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Force/Moment >On Keypoints→ 拾取關鍵點2→ OK → Lab:MX,VALUE:-200*1e3→ OK。
(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Beam_Load.db→ OK。
7.求解
(1)求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve Current Load Step → OK → Solution is done → Close。
(2)保存結果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Beam_Solve.db→ OK。
8.后處理
(1)扭轉變形云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → X - Component of rotation→OK。
(2)扭轉切應力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → XY Shear stress → OK。
9.退出ANSYS軟件
Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK。
六、APDL步驟
!------------------------------------------感知力學感念
/PREP7
ET,1,BEAM188 !單元類型
KEYOPT,1,3,3 !形函數
KEYOPT,1,4,2 !切應力
MP,EX,1,2.06e5 !材料屬性MPa
MP,PRXY,1,0.3
SECTYPE, 1, BEAM, RECT, , 0 !截面屬性mm,默認截面份數2
SECOFFSET, CENT
SECDATA,20,20,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
SECTYPE, 1, BEAM, RECT, ,0 !截面屬性mm,截面份數16
SECOFFSET, CENT
SECDATA,20,20,16,16,0,0,0,0,0,0,0,0
K,1,0,0,0, !創(chuàng)建關鍵點mm
K,2,80,0,0,
L,1,2 !創(chuàng)建線
/PNUM,KP,1 !關鍵點編號
/PNUM,LINE,1 !線編號
LATT,1, ,1, , , ,1 !線的單元屬性
LESIZE,ALL, , ,10, , , , ,1 !單元尺寸mm
LMESH,ALL !線分網
/ESHAPE,1.0 !單元形狀
DK,1,ALL !位移約束
FK,2,MX,-200e3 !扭矩
FINISH
/SOLU
SOLVE !求解
FINISH
/POST1
/DSCALE,ALL,40 !放大比列
PLNSOL, ROT,X, 0,1.0 !扭轉角rad
PLNSOL, S,XY, 0,1.0 !切應力
轉自:東油張強老師
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