搜索純彎曲梁的正應力實驗之ANSYS分析-理論、實驗和有限元結果對比
2017-04-26 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
純彎曲梁的正應力實驗是高校材料力學課的主要力學實驗之一,純彎曲梁的正應力測試實驗怎樣使用ANSYS分析呢?ANSYS的有限元數(shù)值解與理論的解析解、實驗測試結果對比的精度又如何呢?
本次ANSYS分析要重點掌握自定義梁截面的方法,進一步熟悉剪力圖、彎矩圖和正應力云圖的畫法,以及查詢梁截面某點的正應力結果。
一、實驗測試
使用材料力學多功能實驗架中的純彎曲梁實驗裝置,使橫梁受載荷作用發(fā)生彎曲變形,用電測法測出圖中5個測點的的應變,進而得出實驗測試的正應力。
材料力學多功能實驗架、力與應變綜合參數(shù)測試儀
5個測點位置,粘帖有電阻應變片
力與應變綜合參數(shù)測試儀-接線方法
力與應變綜合參數(shù)測試儀-接線方法
應變讀數(shù)
二、問題描述
一個長為L的矩形截面梁,在與A、B距離為a的位置施加大小為P/2的載荷,梁的中段為處于純彎曲狀態(tài),計算中段純彎曲梁的正應力。
問題分析:
用梁單元BEAM188建模分析。其單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。材料屬性輸入彈性模量和泊松比。單位制mm、N和MPa。為了能夠提取這5個測點的正應力計算結果數(shù)值,需要自定義梁截面。
計算結果:
5個測點的解析解與ANSYS解十分吻合,實驗結果與解析解、ANSYS解的誤差在較大。
通常人們總是相信實驗的結果也相信解析解的結果,而總是懷疑ANSYS的模擬結果。而本例解析解和ANSYS解吻合非常好,反而與實驗測試結果的誤差較大,這說明什么問題呢?說明實驗總是受各種因素干擾,實驗測試結果與應變片的質量、粘貼應變片的位置、溫度補償、儀器的精度、儀器校驗等等因素有關。對于仿真計算,無論CAE分析人員的經驗如何,對一個較為復雜的結構,每個人建模后總能計算出一個數(shù)據結果,但每個人的ANSYS結果通?？偸遣灰粯拥?如何評價每位分析人員的結果呢?歡迎各位閱讀者留言討論。
剪力云圖
彎矩圖
正應力云圖
測點應力值
測點應力值
三、GUI步驟
(一)自定義截面
1.進入ANSYS
程序→ ANSYS15.0 → ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file → Run。
2.自定義截面
(1)定義單元類型
①指定單元類型:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/ Edit/ Delete→Add→在左列表框中選擇Not Solved,在右列表框中選擇Mesh Facet 200→OK。
②設置單元選項:Options →K1:QUAD 8-NODE→OK。
(2)創(chuàng)建面:Main Menu > Preprocessor >Modeling > Create > Areas > Rectangle > By Dimensions →X1, X2:0,40 → Y1, Y2:0,20 → OK。
(3)設置線的份數(shù):
①打開關鍵點和線編號:Utility Menu> PlotCtrls> Numbering→LINE: On→ OK。
②顯示線:Utility Menu> Plot> Lines。
③設置線的份數(shù):Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Lines > PickedLines → 選擇線1和線3 → NDIV:4 → Apply → 選擇線2和線4 → NDIV:2 → OK。
(4)劃分單元:Main Menu >Preprocessor >Meshing >MeshTool →Mesh: Areas;Mesh→Pick All → OK。
(5)保存自定義的截面文件:Main Menu > Preprocessor >Sections > Beam > Custom Sections > Write From Areas →Pick All → FILE:sect1.SECT→ OK。
(二)梁建模計算
1.清空數(shù)據庫
Utility Menu> File > Clear Database & Start News → OK → Yes。
2.設置單元屬性
(1)定義單元類型:Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/ Edit/ Delete → Add → 在左列表框中選擇Beam,在右列表框中選擇2 node 188 → options → K3:Cubic Form;K4:Include Both → OK。
(2) 自定義截面
①讀取自定義截面:Main Menu > Preprocessor > Sections > Beam > Custom Sections > Read Sect Mesh → Browse → 選擇sect1.SECT→ OK。
②顯示截面信息:Main Menu> Preprocessor> Sections> Beam> Plot Section→ 選擇截面號ID:1;Show section mesh?:Yes→ OK。
(3)設置材料屬性:Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural →Linear → Elastic → Isotropic → EX:2.06e5,PRXY:0.26 → OK。
3.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 (125,0,0),3(475,0,0),4(600,0,0)→ OK。
(2)創(chuàng)建直線:Main Menu >Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Straight Line→ 依次拾取關鍵點1和2,2和3,3和4,創(chuàng)建3條直線 → OK。
(3)打開關鍵點和線編號:Utility Menu> PlotCtrls> Numbering→ 框選KP:On,LINE:On→ OK。
(4)顯示線:Utility Menu>Plot> Lines。
4.劃分網格
(1)設置線的單元屬性:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool → 在Element Attributes下方選擇Lines Set → 拾取線Pick All → OK → 選擇MAT:1,TYPE:1,SECT:1→ OK。
(2)設置單元尺寸:Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在Size Controls下方選擇Lines Set → Pick All → SIZE:12.5→ OK。
(3)劃分梁單元:Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool → Mesh:Lines→ Mesh → Pick All → OK。
(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。
5.施加邊界條件
(1)施加約束:Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural >Displacement > On Keypoints → 拾取關鍵點1→ OK → Lab2:UX, UY, UZ, ROTX → Apply → 拾取關鍵點4→ OK → Lab2:UY, UZ → OK。
(2)施加載荷:Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Structural>Force/ Moment > On Keypoints → 拾取關鍵點2和3→ OK → Lab:FY,VALUE:-250 →OK。
(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Load.db→ OK。
6.求解
(1)求解:Main Menu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。
(2)保存結果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Solve.db→ OK。
7.后處理
(1)畫剪力圖和彎矩圖
①查找定義單元表的方法
打開ANSYS Help,搜索BEAM188。
找到BEAM188的單元介紹頁面后,頁面中查表Table 188.1和Table 188.2,表中Fx是軸力,SF:y, z是剪力,My,Mz是彎矩。本例應選表中紅色的編號。
②定義彎矩、剪力單元表:Main Menu > General Postproc > Element Table > Define Table → Add
→ Lab:SFYI;Item:By sequence sum;SMISC, 6 → Apply
→ Lab:SFYJ;Item: By sequence sum;SMISC, 19 → Apply
→ Lab:MZI;Item:By sequence sum;SMISC, 3 → Apply
→ Lab:MZJ;Item:By sequence sum;SMISC, 16 → OK→ Close。
③將彎矩單位N.mm轉換成N.m:Main Menu >General Postproc >Element Table >Add Items → LabR:MZI; FACT1:0.001; Lab1:MZI; FACT2:0; Lab2:-none→ Apply → LabR:MZJ; FACT1:0.001; Lab1:MZJ; FACT2:0; Lab2:-none → OK。
④畫彎矩圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line Elem Res > LabI:MZI;LabJ:MZJ >OK。
⑤畫剪力圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line Elem Res > LabI:SFYI;LabJ:SFYJ > OK。
(2)查看正應力
①畫正應力云圖:Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu→ Nodal Solution → Stress → X-Component stress →OK。
②顯示具體點正應力:Main Menu > General Postproc > Query Results > Subgrid Solu → Item:Stress,X-direction SX → OK → 勾選generate 3D Anno → 拾取所要顯示的測點→ OK。
四、GUI步驟視頻版
五、APDL步驟
/PREP7
ET,1,MESH200 !單元類型
KEYOPT,1,1,7 !八節(jié)點的面
RECTNG,,40,,20, !幾何面
LESIZE,1, , ,4, , , , ,1 !線的份數(shù)
LESIZE,3, , ,4, , , , ,1
LESIZE,2, , ,2, , , , ,1
LESIZE,4, , ,2, , , , ,1
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
AMESH,1 !劃分單元
SECWRITE,sect1,SECT !保存自定義的截面文件
FINISH
/CLEAR,START !清空數(shù)據庫
/PREP7
ET,1,BEAM188 !單元類型
KEYOPT,1,3,3
KEYOPT,1,4,2
MP,EX,1,2.06e5 !材料屬性
MP,PRXY,1,0.26
SECTYPE,1,BEAM,MESH, !讀取自定義截面
SECOFFSET,CENT,,,
SECREAD,'sect1','SECT',' ',MESH
SECPLOT,1,0 !顯示截面信息
K,1,,,, !關鍵點
K,2,125,,,
K,3,475,,,
K,4,600,,,
LSTR,1,2
LSTR,2,3
LSTR,3,4
LATT,1, ,1, , , ,1
LESIZE,all,12.5, , , , , , ,1 !單元尺寸
LMESH,all !線分網
/ESHAPE,1.0 !打開單元形狀
/VIEW,1,1,2,3 !調整視圖
FINISH
/SOL
DK,1, , , ,0,UX,UY,UZ,ROTX, , , !約束
DK,4, , , ,0,UY,UZ, , , , ,
FK,2,FY,-250 !載荷
FK,3,FY,-250
SOLVE
FINISH
/POST1
ETABLE,SFYI,SMISC, 6 !剪力單元表
ETABLE,SFYJ,SMISC, 19
ETABLE,MZI,SMISC, 3 !彎矩單元表
ETABLE,MZJ,SMISC, 16
SADD,MZI,MZI, ,0.001,0, , !N.mm轉換成N.m
SADD,MZJ,MZJ, ,0.001,0, ,
/VIEW,1,,,1 !調整視圖
PLLS,SFYI,SFYJ,1,0 !剪力圖
PLLS,MZI,MZJ,1,0 !彎矩圖
/VIEW,1,1,2,3 !調整視圖
PLNSOL, S,X, 0,1.0 !正應力云圖
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