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    工程结构有限元分析,到底难在哪里?

    来源:网络收集  点击:  时间:2024-04-18
    【导读】:
    工程结构有限元分析,到底难在哪里?方法/步骤1/7分步阅读

    一个100mm×100mm×1000mm的长方块体,材质为结构钢,弹性模量200GPa,泊松比0.3,屈服强度200MPa,理想塑性(不考虑硬化),材料应力应变关系如图2所示。整个构件轴向受压。

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    一个构件单轴受压,这能有什么问题?计算中采用了图中所示的一端固定(ANSYS Mechanical中的Fixed Support),另一端位移加载的方式进行模拟,顶部向下加载位移量0.8mm。

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    计算结果表明,构件的中上部接近单轴应力状态,从轴向变形来看,名义轴向应变绝对值仅为0.0008,并未达到单轴屈服应变0.001(fy/E),Von-Mises等效应力几乎等于轴向应力,即0.0008×200GPa≈160MPa。但是由于泊松效应,底面附近位置实际上是处于复杂的三轴应力状态,而且这一看似再平常不过的固定约束还引起了应力奇异。

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    如图3所示,计算出的最大Von-Mises等效应力SEQV的数值为215.52MPa,竟然违背了在Engineering Data中定义的理想塑性关系,明显超过屈服强度。这时可能有人要问,花了百十来万买来的软件,难道连本构关系都不满足?由此可见,即便对于这样一个单一构件的简单受力问题,边界条件的选取都是一件值得推敲的事情。

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    其实,在很多其他场合也可能出现类似问题,如图4所示,两个圆环A和B截面尺寸分别为3mm×5mm以及3mm×3mm,其接触面存在4.5微米的几何干涉,定义摩擦系数为0.1的Frictional接触,B外侧为固定,通过2D轴对称分析计算两钢环之间的过盈配合问题。

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    图5为分析中采用的双线性硬化模型,切线模量很低,即便塑性应变达到屈服应变的5倍,后继屈服强度也会不超过205MPa,但是计算的von-Mises等效应力结果却也是出现了明显超过屈服强度的数值,最大值为218.78MPa,如图6所示。

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    这类现象估计也经常出现在很多用户的计算书中,而且不论你进行的是线弹性分析,又或者是理想塑性条件下的弹塑性分析,都是同样的结果。其实在有限元分析中还有很多这类问题,认真推敲起来,还真的就是越想越不对劲儿,有种“看山不是山”的错觉。

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