基于ANSYS對工字鋼力學(xué)與疲勞損傷的研究

匡成驍 吳小平

0、引言

本文模擬工程中工字鋼一種常見的，也是很容易造成鋼斷裂的工況：工字鋼一端固定，然后在其上面施加均布荷載。針對工字鋼在工程中常遇到的兩個問題，作了解決。

問題一、如何觀察到工字鋼內(nèi)部的任意截面的應(yīng)力狀況。通過ANSYS的路徑操作，在工字鋼的危險橫截面和縱截面上分別創(chuàng)建兩條路徑項，將第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和等效應(yīng)力映射到的路徑上。然后通過幾種圖像處理方式清楚地展示了工字鋼內(nèi)部的等效應(yīng)力分布情況。問題二、如何分析鋼在受交變應(yīng)力作用下的疲勞壽命。模擬工字鋼的上表面在幾種交變應(yīng)力作用循環(huán)一定次數(shù)后，計算其疲勞損傷值。利用APDL參數(shù)化分析，通過更改參數(shù)，較方便地計算出各個參數(shù)所對應(yīng)的位置的累計損傷情況。就可以計算得到工字鋼在此工況的使用疲勞壽命。

1、工字鋼結(jié)構(gòu)簡介以及受力模型

工字鋼分普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼三種，其廣泛用于各種工程建筑、橋梁、車輛、支架、機(jī)械等方面。工字鋼在工程中承受著各種各樣的力.如圖1，工字鋼截面的特點(diǎn)是其壁厚與截面高度或?qū)挾认啾群苄?，屬于開口薄壁截面。腹板上的切向內(nèi)力在整個剪力中所占的比例相當(dāng)大，腹板的主要功能之一是抗剪；另外翼緣的面積離中性層比較遠(yuǎn)，翼緣的主要功能之一是抗彎。由材料力學(xué)普通工字鋼進(jìn)行理論上的分析抗彎截面模量

從表中可知，工字鋼翼緣上表面左（右）邊側(cè)的位置，在以上的交變應(yīng)力的作用下，最易發(fā)生疲勞斷裂。

5、結(jié)論

通過ANSYS的路徑操作，觀察到工字鋼內(nèi)部的縱截面和危險橫截面的應(yīng)力狀況。通過APDL參數(shù)化分析鋼在受交變應(yīng)力作用下各個位置的疲勞積累損傷。通過以上兩種方法可知，在工字鋼以懸臂梁形式受分布力作用時，工字鋼的壁端翼緣上表面左（右）邊側(cè)的位置為危險位置，最易發(fā)生普通斷裂和疲勞損傷。這兩種方法為分析工字鋼危險截面應(yīng)力狀況、計算出整個工字鋼的疲勞壽命提供了有效的解決方式。

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