基于ANSYS的受拉桿件數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究★

王 磊 　 薛 娜

(河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 平頂山　467000)

?

·機(jī)械與設(shè)備·

基于ANSYS的受拉桿件數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究★

王 磊 薛 娜

(河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 平頂山467000)

摘要：運(yùn)用有限元ANSYS軟件建立了與實(shí)驗(yàn)試件類似的數(shù)值模型，模擬分析了桿件在單軸拉伸破壞過程中力學(xué)性能的變化規(guī)律，模擬結(jié)果表明：受拉桿件由于重力的作用及截面參數(shù)的不同，其最先受到破壞的部位及受應(yīng)力集中影響的程度各有不同。

關(guān)鍵詞：ANSYS，數(shù)值模型，力學(xué)性能，應(yīng)力

0引言

拉桿是工業(yè)建筑、機(jī)械產(chǎn)業(yè)中常用的金屬構(gòu)件，具有工藝簡潔，高速快節(jié)拍的工業(yè)化生產(chǎn)模式和強(qiáng)度高，作業(yè)范圍廣，便于施工的應(yīng)用特點(diǎn)。拉桿應(yīng)用的不斷深入有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品的通用化、生產(chǎn)流程的標(biāo)準(zhǔn)化，在建筑施工行業(yè)中有利于節(jié)約用材，同時(shí)促進(jìn)建筑材料的輕質(zhì)化、環(huán)?；Ｒ虼?，研究拉桿的截面形式、模具外形、材料力學(xué)參數(shù)是充分發(fā)揮材料機(jī)械性能和鋼材斷面性能的必要前提。本文主要研究了低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬，并通過ANSYS有限元軟件對(duì)工程中常用拉桿的可靠性進(jìn)行數(shù)值比較。

1低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)

低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)是按目前GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法的規(guī)定,試件為圓形截面，截面半徑為5 mm，軸長為100 mm，并在UTM5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),加載速率設(shè)置為15 mm/min 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

2ANSYS數(shù)值實(shí)驗(yàn)

2.1有限元模型及相關(guān)參數(shù)

考慮到此拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)生在理想狀態(tài)下，簡化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。試件模型的創(chuàng)建采用Solid95單元，且網(wǎng)格的劃分方式采用映射。材料的物理參數(shù)是在拉伸實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試，如表1所示。設(shè)置材料的本構(gòu)關(guān)系時(shí)，考慮到實(shí)際材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線的復(fù)雜性，且材料受實(shí)驗(yàn)溫度、應(yīng)變速率等外部因素和顆粒位錯(cuò)密度、顆粒分布方向等內(nèi)部因素的影響較大，逐步提取材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的關(guān)鍵點(diǎn)作為計(jì)算的依據(jù)。關(guān)鍵點(diǎn)的擬合曲線圖如圖3所示。本模擬實(shí)驗(yàn)只計(jì)算到材料出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象的初級(jí)階段，故該階段材料的伸長率不足19%。所以在材料的一端施加軸向位移荷載17 mm,同時(shí)約束另一端的位移，此處重力忽略不計(jì)。ANSYS求解參數(shù)設(shè)置為60個(gè)子步，保證子位移不大于單元長度的1/10。

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在ANSYS后處理板塊，查看模型應(yīng)力云圖和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，圖4為材料在頸縮狀態(tài)時(shí)軸向應(yīng)力的分布。圖5為同一軸線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，可以觀察出材料中間部分應(yīng)力最大，并且應(yīng)力值向兩端逐漸減少。最外端出現(xiàn)應(yīng)力的無序化可以依據(jù)圣維南提出的局部影響原理做出解釋。圖中A節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力下跌表明材料已經(jīng)進(jìn)入頸縮狀態(tài)。提取材料受拉破壞區(qū)域的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，圖6為84節(jié)點(diǎn)在受拉過程中的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以看出材料的抗拉強(qiáng)度為400 MPa,為了驗(yàn)證材料在拉伸破壞過程中同截面正應(yīng)力的同等性,提取坐標(biāo)值Z1=36，Z2=48，Z3=60截面上節(jié)點(diǎn)的正應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示，同一截面應(yīng)力值都在一條直線上，表明同截面各節(jié)點(diǎn)正應(yīng)力值相同，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

3常用拉桿的力學(xué)特性比較

3.1受拉桿件在彈性階段的強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于體積小、截面形式單一的鋼材，在彈性范圍內(nèi)往往只計(jì)算軸力對(duì)材料的影響。

σ=N/A

(1)

其中,N為軸向拉力；A為截面面積。

但對(duì)于截面形式復(fù)雜的材料，如圖8，圖9所示，就得考慮自重及附加彎矩的影響。在重力影響下，文獻(xiàn)指出彈性階段拉桿的撓度很大，軸力的延長線并不通過支點(diǎn)，由此產(chǎn)生的彎矩會(huì)與自重產(chǎn)生的彎矩疊加，最終截面上的最大彎矩會(huì)減小，其近似值為：

(2)

其中,q為自重產(chǎn)生的均布荷載；l為拉桿的總長度；F為外部荷載；E為材料的彈性模量；Ix為對(duì)x軸的慣性矩。

文獻(xiàn)則認(rèn)為彈性階段材料受拉彎曲所產(chǎn)生的彎矩并不能通過疊加的方式計(jì)算，軸力與彎矩之間的關(guān)系是非線性的，并給出了推論公式：

(3)

其中，y為距端點(diǎn)為x處的截面豎向位移。

(4)

其中,c1，c2均為常系數(shù)。

由式(3)，式(4)得:

(5)

而附加彎矩的產(chǎn)生是由于截面形式的不規(guī)則導(dǎo)致截面上的荷載作用點(diǎn)不能與截面形心重合。如圖10所示，由材料力學(xué)知截面上的附加彎矩為:

M2=∑Mx+∑My=∫AyσdA+∫AxσdA

(6)

其中應(yīng)力σ在彈性階段滿足胡克定律:

σ=Eε

(7)

所以在同一截面最大彎矩為:

M=M1±M2

(8)

通過上述不同的計(jì)算方法考慮受拉材料的界面彎矩，最終整理受拉材料在彈性階段的應(yīng)力表達(dá)式如下:

(9)

3.2受拉型鋼在塑性狀態(tài)下的應(yīng)力表現(xiàn)

考慮到桿件拉伸進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)其穩(wěn)定性急劇下降，且各部分物理參數(shù)不斷發(fā)生突變。所以這里采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析。有限元模型依據(jù)圖7，圖8建立，模型采用Shell181單元，模型的力學(xué)參數(shù)及求解參數(shù)均依據(jù)文章中低碳鋼拉伸模擬的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。約束方式如圖8所示，重力方向與z—x平面垂直且向下。

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0198-03

收稿日期：2016-03-09★：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：15A560003)

作者簡介：王磊(1993- )，男，在讀本科生;薛娜(1981- )，女，講師

中圖分類號(hào)：TU311.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A