悬臂梁结构分析
悬臂梁分析报告
悬臂梁受力分析报告高一博2016.11.13西安理工大学机械与精密仪器工程学院摘要利用ANSYS对悬臂梁进行有限元静力学分析,得到悬臂梁的最大应力和挠度位移。
从而校验结构强度和尺寸定义，从而对结构进行最优化设计修正。
关键词：悬臂梁，变形分析，应力分析目录一.问题描述： (4)二.分析的目的和内容： (4)三.分析方案和有限元建模方法： (4)四.几何模型 (4)五．有限元模型 (4)六．计算结果： (5)七.结果合理性的讨论、分析 (8)八．结论 (8)参考文献 (8)一.问题描述：现有一悬臂梁，长500MM，一端固定，另外一端施加一个竖直向下的集中力200N。
其截面20MMX20MM的矩形，现在要分析该梁的在集中力作用下产生的位移，应力和局部应力。
二.分析的目的和内容：1.观察悬臂梁的变形情况；2.观察分析悬臂梁的应力变化；3.找出其最大变形和最大应力点，分析形成原因；三.分析方案和有限元建模方法：1.使用ANSYS-modeling-create-volumes-block建模，2.对梁进行材料定义，网格划分。
3.一端固定，另外一端施加一个向下的200N的力。
4.后处理中查看梁的应力和变形情况。
四.几何模型500X20X20的梁在在ANSYS中进行绘制.由于结构简单规则，无需简化。
五．有限元模型单元类型：solid brick8node45材料参数：弹性模量2e+11pa,泊松比0.3边界条件：一端固定，一端施加载荷载荷：F=200N划分网格后的悬臂梁模型六．计算结果：变形位移图等效应力图局部应力图七.结果合理性的讨论、分析1.位移分析：在变形位移图上，在约束端位移最小为零，受压端位移最大。
与实际结果一致。
2.应力分析：在应力图上，应力最大处在约束端，而最小的位于受压端，与变形图相对应。
通过材料力学计算可知约束端的所受弯矩最大。
两个结果印证无误。
3.局部应力分析：在局部应力图上，可以看出在固定端上表面存有较大的应力，且为拉应力，受压端直角尖处有最大应力，从形成原因上分析属于尖角处应力集中。
结构设计知识：悬臂梁结构设计的基本原理与方法
结构设计知识：悬臂梁结构设计的基本原理与方法悬臂梁是一种常见的结构，其基本原理是支点只有一个，而另一端则悬空。
这种结构常用于桥梁和建筑物的梁式结构。
在设计悬臂梁时，应重视结构强度、稳定性和刚度等问题。
本文将从这些方面入手，探讨悬臂梁结构设计的基本原理和方法。
一、悬臂梁的强度设计强度是悬臂梁设计中最重要的问题之一。
在设计中，需要考虑悬臂梁的截面形状、材料和支点位置等因素。
若悬臂梁截面形状不合理，可能会导致局部应力过大，从而引起结构破坏。
因此，在设计中应尽量选择合适的截面形状，如矩形或圆形等，避免出现尖锐的边角。
另外，材料的选择也非常重要。
不同材料的强度和刚度有差异，通常常用的材料有钢、混凝土和木材等。
在选择材料时，应考虑材料的强度、耐用性和成本等因素。
同时，还需要对材料进行强度检验，确保其符合设计要求。
支点位置是悬臂梁设计的另一个重要因素。
支点的位置和方式会直接影响悬臂梁的强度和稳定性。
因此，在设计中需要仔细考虑支点的位置和设置方式。
通常情况下，支点的位置应该选择在横向中心线位置，避免偏离中心线而导致结构扭曲或损坏。
另外，支点的设置方式也是需要考虑的因素，如采用承板式支座或滑动支座等。
这些支座的选择应该根据悬臂梁的实际情况进行选择。
二、悬臂梁的稳定性设计稳定性是悬臂梁设计的另一重要问题。
在设计中，需要考虑悬臂梁的整体结构稳定性和支点稳定性两个方面。
整体结构稳定性是指悬臂梁在承受荷载时整体结构不发生倾覆或破坏。
在设计中，需要对悬臂梁做出合理的结构设计，例如采用合适的垂直支撑和斜杆支撑等结构措施，以提高悬臂梁的整体稳定性。
支点稳定性是指悬臂梁支点的稳定性，其主要是根据支点的类型和尺寸来确定。
支点的设计应当遵循以下原则：首先，支点必须有足够的刚度和强度，能够承受悬臂梁上的全部荷载；其次，支点应该与悬臂梁之间形成良好的摩擦力，并能够在受到荷载时保持稳定不变。
三、悬臂梁的刚度设计刚度是悬臂梁设计中需要考虑的另一个重要问题。
悬臂梁结构动力响应分析与优化设计
悬臂梁结构动力响应分析与优化设计悬臂梁是一种常见的结构形式，在工程中有广泛的应用。
然而，由于其特殊的结构特点，悬臂梁在受到外界力作用时容易发生动力响应，影响其安全性和稳定性。
因此，对悬臂梁结构进行动力响应分析与优化设计，对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。
悬臂梁结构的动力响应分析是指通过数学建模和计算分析对悬臂梁在受到外界力作用下的响应情况进行评估。
在进行动力响应分析时，需要考虑诸如结构的质量、刚度等参数。
通常，可以利用有限元方法对悬臂梁进行动力响应分析。
有限元方法是一种通过将结构离散为有限个小单元，然后对每个小单元进行力学计算，并将计算结果进行组合得出整体结构响应的数值计算方法。
通过有限元分析，可以得出悬臂梁受力情况、变形情况等重要参数，对于结构的合理设计和改进提供科学依据。
在动力响应分析的基础上，进行悬臂梁结构的优化设计是为了提高其动力响应性能。
悬臂梁的优化设计要考虑多个因素，包括结构的材料性能、几何形状、截面尺寸等。
在材料性能方面，通常需要选择具有较高强度和刚度的材料，以保证结构的承载能力。
在几何形状和截面尺寸方面，通过合理选择和设计，可以减小结构的质量和惯性矩，从而降低悬臂梁的动力响应。
对于悬臂梁结构的优化设计，常见的方法是结构拓扑优化和参数优化。
结构拓扑优化通过改变梁的支座位置、截面形状等来优化悬臂梁结构。
参数优化则是在已定形状的基础上，优化截面尺寸、材料性能等参数，以达到优化结构动力响应的效果。
这两种方法既可以分开进行也可以结合使用，通过多次计算和比较来找到最优的结构设计方案。
悬臂梁结构动力响应分析与优化设计是一个综合性和复杂性的工程问题。
在实际工程中，需要综合考虑结构的静力和动力响应，还要考虑材料的可获得性、成本等因素。
因此，对悬臂梁结构进行动力响应分析与优化设计需要多学科的知识和专业工具的支持。
只有通过科学的方法和综合考虑各种因素，才能得到结构性能和经济性的双重保证。
总之，悬臂梁结构动力响应分析与优化设计对于确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。
悬臂梁结构模型——挑战设计“理论分析”
50 40 30 20 10 0 系列1 系列2 0.5 1 2 1 66.75
49.25
37.25 28.75 23.5 25.5
系 系
2 3 2 49.25
4 4 4 37.25
6 5 6 28.75
8 6 8 23.5
10
1 0.5 67.25
7 10 25.5
试件标号
通过本例，我们可以做如下推论： 上弦杆越靠近根部所受拉力越大，且以G的 2,4,6,8,10……偶数倍增长。 下弦杆越靠近根部所受压力越大，且以G的 1,3,5,7,9……奇数倍增长。 中间的斜杆，BL、DJ、FH这些倾斜的杆都受到的 是拉力，且大小均 。 中间的斜杆，DH、BJ这些倾斜的杆都受到的是压力， 且大小均为 。 竖杆都是不受力的杆。
结构的理论分析
上挑式
坐标 0
支撑式
斜拉式
结构的理论分析
材料的特性分析
如何对悬臂梁进行测试与分析？
700 600 500 400
荷载
6
号试件 )
300 200 100
(N )
0
0
2
4
6 8 位移 ( mm)
10
12
圆形管不同长度承压试验图
80 70 60
67.25
66.75
承受压力（kg）
悬臂梁结构模型 --挑战设计“理论分析”
北京四中 通用技术组 高增
选择适合的载体，体验设计的一般过程： 1、命题的解读及理解 2、初步方案的制定及确定 4、模型的制作 5、设计的优化 6、设计报告的提交
结构的理论分析
固定端
悬挂端 350mm 450mm
工程力学中的悬臂梁受力和弯曲变形问题的分析与计算方法总结
工程力学中的悬臂梁受力和弯曲变形问题的分析与计算方法总结悬臂梁是工程力学中常见的结构，其受力和弯曲变形问题一直是研究的焦点。
本文将对悬臂梁受力和弯曲变形问题的分析与计算方法进行总结。
一、悬臂梁的受力分析在工程实践中，悬臂梁常常承受着外部力的作用，因此对其受力进行准确的分析至关重要。
悬臂梁的受力分析主要包括弯矩和剪力的计算。
1. 弯矩的计算悬臂梁在受力时会产生弯矩，弯矩的计算可以通过弯矩方程进行。
弯矩方程是基于力的平衡原理和材料的本构关系推导出来的，通过对悬臂梁上各点的力平衡和材料的应力-应变关系进行分析，可以得到弯矩的表达式。
2. 剪力的计算悬臂梁在受力时还会产生剪力，剪力的计算同样可以通过力的平衡原理和材料的本构关系进行推导。
剪力方程可以通过对悬臂梁上各点的力平衡和材料的剪切应力-剪切应变关系进行分析得到。
二、悬臂梁的弯曲变形分析除了受力分析外，悬臂梁的弯曲变形也是需要考虑的重要问题。
弯曲变形是指悬臂梁在受力作用下产生的弯曲形变，主要表现为悬臂梁的中性面发生偏移和悬臂梁上各点的位移。
1. 弯曲形变的计算弯曲形变的计算可以通过弯曲方程进行。
弯曲方程是基于力的平衡原理和材料的本构关系推导出来的，通过对悬臂梁上各点的力平衡和材料的应力-应变关系进行分析，可以得到弯曲形变的表达式。
2. 中性面的偏移和位移的计算中性面的偏移和位移是悬臂梁弯曲变形的重要表现形式。
中性面的偏移可以通过弯曲方程和几何关系进行计算，位移可以通过位移方程进行计算。
通过这些计算，可以得到悬臂梁上各点的位移和中性面的偏移情况。
三、悬臂梁的计算方法总结为了更准确地分析和计算悬臂梁的受力和弯曲变形问题，工程力学中提出了一系列计算方法。
常见的计算方法包括静力学方法、力学性能方法和有限元方法等。
1. 静力学方法静力学方法是最常用的计算方法之一，它基于力的平衡原理和材料的本构关系进行分析和计算。
通过对悬臂梁上各点的力平衡和材料的应力-应变关系进行分析，可以得到悬臂梁的受力和弯曲变形情况。
生活中的悬臂结构
生活中的悬臂结构悬臂梁的定义是：梁的一端不产生轴向垂直位移和转动定支座，另一端为自由端（可以产生平行轴向和垂直轴向的力。
）在力f的作用下梁的中性面处，中性面之上的截面受拉应力作用，中性面之下的截面受压应力作用而且梁的上下表面应力最大。
悬臂梁最重要的参数是弯曲刚度（也称抗弯刚度）一般用i表示。
弹性模量e也是重要参数。
弯曲刚度越大，悬臂梁在有限荷载下弯曲变形越小。
弹性模量e越大其抗剪性能越好。
悬臂梁结构在生活中有很多例子如阳台雨棚等，首先我们特意挑选了一般民居中的阳台悬臂梁结构进行如下分析。
1. 阳台的悬臂梁和结构柱是整体浇注的，将阳台的荷载传递到柱上，一般情况下两臂之间的梁是主梁而主梁间伸出的梁是次梁。
为什么图中阳台不会倒塌，一般都是悬臂梁结构，有钢筋撑着呢，由此可见钢筋在阳台的悬臂梁中所扮演的重要角色，阳台的悬臂梁由钢筋混凝土浇筑而成，这种结构使其既能承受拉力，也能承受压力，而且还能抗剪力。
真正做到坚固耐用，图中十几层建筑物的阳台都是采用采用这种结构。
其次，在我们生活中，悬臂桥梁也不乏踪迹。
2. 悬臂梁桥指的是以一端或两端向外自由悬出的简支梁作为上部结构主要承重构件的梁桥。
悬臂梁桥有单悬臂梁和双悬臂梁两种。
单悬臂梁是简支梁的一端从支点伸出以支承一孔吊梁的体系。
双悬臂梁是简支梁的两端从支点伸出形成两个悬臂的体系。
3.在我们日常生活中，滚筒洗衣机也运用了悬臂梁的原理。
滚筒洗衣机滚筒组件，相当于一悬臂梁。
因两轴承安装在一端，另一端无定位装置，工作时有一附加轴向力，有的选用的是两只向心轴承。
4.悬臂式电视支架也是运用了悬臂梁的原理来进行工作。
5.玻璃百叶窗的支架也是一个悬臂梁结构。
6.再来,路灯的前伸端也是一个悬臂结构。
7.起吊机的运用很广泛，其臂端的结构也可称之为悬臂梁总结：由此可见，悬臂结构在生活中无处不在，且起到了相当重要的作用。
已经成为我们生活中不可少的部分，我们应善于发现，善于利用自己的学识知识，在步入社会后也能创造出便于我们生活的物件。
悬臂梁的受力分析与结构优化
悬臂梁的受力分析与结构优化悬臂梁是一种常见的结构，由于其特殊的支持方式，受力分析和结构优化对于设计师来说是非常重要和关键的。
本文将详细介绍悬臂梁的受力分析和结构优化。
首先，我们需要了解悬臂梁的基本结构和受力情况。
悬臂梁由一个固定支座和一个悬挑段组成，其中，固定支座是悬挑段的唯一支撑点。
常见的悬臂梁结构包括悬臂梁、悬臂梁连接梁柱和榀架等。
悬臂梁的受力分析可以通过静力学的原理来进行。
在进行悬臂梁的受力分析时，可以采用以下步骤：1.确定受力类型：首先需要确定悬臂梁所受的外力类型，包括集中力、均布力以及倾覆力。
根据具体情况，可以分析受力的大小、方向和作用点位置。
2.绘制受力图：针对所确定的受力情况，绘制受力图可以帮助我们更加直观地了解悬臂梁的受力情况。
受力图包括受力箭头和标注力的大小、方向和作用点位置。
3.计算受力大小：利用受力图，可以通过应力平衡原理计算出悬臂梁各个部分的受力大小。
利用平衡方程，可以计算出悬臂梁在不同位置的剪力、弯矩和轴力。
4.分析受力状况：通过计算出的受力大小，可以分析悬臂梁的受力状况。
在分析过程中，需要注意各个受力点的正负号，以及受力的分布情况。
在进行悬臂梁的结构优化时，可以采用以下方法：1.材料选型：选择适当的材料是悬臂梁结构优化的重要因素之一、优先选择具有较高的强度和刚度的材料，以减小悬臂梁的自重；同时还要考虑材料的成本和可获得性。
2.梁型设计：根据实际需求，选择合适的梁型可以优化悬臂梁的结构。
常见的梁型包括矩形梁、圆形梁、槽式梁等，每种梁型具有不同的性能和应用范围。
3.截面设计：选择合适的悬臂梁截面形状和尺寸可以优化悬臂梁的结构性能。
通过计算悬臂梁的受力情况，可以确定截面的强度和刚度需求，然后选择合适的截面形状和尺寸。
4.强度验证：在进行结构优化后，需要进行强度验证。
通过对悬臂梁进行负荷测试或使用有限元分析方法，可以验证悬臂梁是否满足强度和刚度的要求。
如果不满足要求，需要对结构进行调整和优化。
悬臂梁原理
悬臂梁原理
悬臂梁是一种常见的结构形式，常用于桥梁、楼梯、天花板等工程中。
其原理是利用梁自身的刚度和强度，承受外力作用下的弯曲和变形。
悬臂梁由起支点和悬臂两部分组成。
起支点是在一端固定的支点，而悬臂是从起支点延伸出来的部分。
当外力作用在悬臂上时，梁会发生弯曲变形。
根据力学原理，悬臂梁的弯曲变形主要由两个因素引起：弯矩和剪力。
弯矩是悬臂上的力矩，其大小与外力的大小和作用点位置有关。
剪力则是悬臂上的切力，也与外力大小和作用点位置相关。
在悬臂梁上，弯曲变形使得上表面伸展而下表面压缩。
这是因为顶部受到拉力而底部受到压力。
为了解决这种不均衡的变形，悬臂梁通常会在底部增加支撑物，以增加梁的刚度和强度。
悬臂梁设计时需要考虑诸多因素，如悬臂长度、横截面形状、材料强度等。
合理选择这些参数可以提高悬臂梁的承载能力和稳定性。
此外，悬臂梁在施工过程中还需要注意质量检测和安全操作，以确保工程的质量和安全性。
综上所述，悬臂梁是一种根据梁自身刚度和强度承受外力作用的结构形式。
通过控制弯曲和剪力，悬臂梁可以实现良好的力学性能。
在设计和施工中应注意各种因素，以确保悬臂梁的质量和安全性。
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悬臂梁结构分析
摘要：以某型自升式钻井平台的悬臂梁为例建立相应结构分析模型，给出了分析的载荷及边界条件，并对不同载荷条件下的计算结果进行了分析和评估，可作为此类结构设计的参考。
关键词：悬臂梁，结构分析.
Abstract: to a certain type of jack-up drilling platform as an example of the cantilever beam establish corresponding structure analysis model, and gives out the analysis of load and boundary conditions, and under the conditions of different load calculation results are analyzed and evaluated, and can be used for this kind of structure design of the reference.
Keywords: cantilever beam and structure analysis.
正文：
1 引言
陆上可利用的资源和能源越来越少，许多国家都把开发利用海洋资源和能源作为国家战略[1]。
经过近几十年的高速发展，我国的能源问题日益严峻。
我国的海域辽阔，海上资源的开发潜力巨大，是未来我国能源可持续发展的重点[2~4]。
海上作业平台是进行海上资源开发的重要装备，目前我国在海上钻井平台的开发设计方面与技术先进国家尚有较大差距。
移动式海上平台在我国海上油气勘探开发中发挥着重要作用[5]，开展海上平台关键技术研究对保障我国能源安全和推动我国装备制造业的发展具有重要意义。
自升式钻井平台属于海上移动式平台，适宜于近浅海作业，是目前被广泛使用的海上钻井装备之一。
本文以某型自升式钻井平台的悬臂梁为例，对其进行结构分析和强度评估，为此类结构的设计提供参考方法。
2 悬臂梁分析模型
大型通用有限元程序MSC.Patran/Nastran被广泛应用于船舶及海洋工程领域，并且通过多数主要船级社的认可，本文采用该程序对悬臂梁进行建模和结构分析。
本文对静载工况下的悬臂梁结构进行分析。
悬臂梁结构的主要承载构件为左、右舷侧的纵向舱壁结构，考虑到结构的对称性，对分析模型进行适当简化，取右舷的纵向舱壁结构进行分析。
悬臂梁分析模型由壳与实体单元组成，舱壁结构的板材和扶强材部分采用壳单元模拟，舱壁结构底部和顶部的厚法兰板材采用实体单元模拟。
整个模型共有节点8126个，单元8560个，其中实体单元1306个，四边形壳单元5827个，三角形壳单元1427个。
悬臂梁的分析模型如图1所示。
图1 悬臂梁结构模型
悬臂梁结构的所有材质为高强或超高强度钢，最小屈服应力不小于355MPa。
舱壁结构的主要构件包括井架下舱壁板、顶部和底部厚板及其中间的舱壁板，其余的为次要构件。
平台外部结构的设计最低温度为－20°C，舱壁板材的板厚及对应材料等级如表1所示。
舱壁结构在底部基线0～2.61m、5.22～8.535m高度范围内及舱壁与井架横梁连接位置采用HT53和EQ56级超高强度钢，其余部位结构采用DH36、EH36级高强度钢材。
3 载荷条件
分析采用的载荷取自悬臂梁结构的设计载荷，设计载荷具体内容如表2所示。
分析时，最大的合成井架载荷取11564.8kN，这一载荷值包含所有的回复力、大钩/转动载荷和拉力载荷。
根据悬臂梁和井架在不同位置时的作业载荷情况，选取两种关键载荷工况进行结构分析。
1）工况1：悬臂梁处于最大伸长状态，钻井中心位于船体外侧22.86m，向右舷侧移4.572m。
施加的载荷如表3所示。
在工况1载荷条件下，悬臂梁前端部的固定载荷达到最大值，相应的大钩载荷为4852.768kN，不考虑钻杆载荷。
2）工况2：最大剪切状态，钻井中心位于船体外侧13.716m，向右舷侧移4.572m。
施加的载荷如4所示。
表4 工况2载荷
在工况2载荷条件下，悬臂梁的支承载荷达到最大值，相应的大钩载荷和转动载荷分别为7116.8kN和4448kN，不考虑钻杆载荷。
4 边界条件
悬臂梁的支承位置边界采用弹簧单元来模拟，悬臂梁前端的底部的法兰与固定扣装置之间的间隙采用设定的位移边界来代替，模型的一侧施加侧向约束。
不同工况下的边界约束具体如图2、3所示。
图2 工况1边界约束
图3 工况2边界约束
5 计算结果及分析
5.1 计算结果
各工况载荷下的悬臂梁结构应力计算结果（Pa）如下：
1）工况1：悬臂梁最大伸长状态（最大弯矩状态）
图4 等效应力分布
图5 纵向应力分布
图6 剪应力分布
2）工况2：最大剪切状态
图7 等效应力分布
图8 纵向应力分布
图9 剪应力分布
由图4～9中的应力分布可以看出，对于所有工况，板材构件较大应力出现在舷侧纵向舱壁与井架横梁连接位置及与底部支承位置对应的舱壁上部及底部区域：最大等效应力发生在舱壁与井架横梁连接位置，最大值为363MPa；最大纵向应力发生在与支承位置对应的悬臂梁顶部区域，该应力属弯曲应力，最大值为227MPa；最大剪切应力均发生在舱壁与井架横梁连接位置，最大值为182MPa。
各工况下的结构最大应力计算结果如表5所示。
表5 不同工况下的结构最大应力
根据ABS和CCS规范相关内容要求，平台各部分结构的应力必须小于构件的许用应力[6,7]。
许用应力（1）
其中，为材料的屈服应力，为安全系数。
根据CCS船级社《海上移动平台入级与建造规范》[6]，安全系数按下表取用：
表6 安全系数
根据上述计算结果，悬臂梁结构的强度满足规范要求。
6 结语
本文以某型自升式钻井平台的悬臂梁结构为例，采用数值仿真方法对静载荷工况下的悬臂梁进行分析，并参照海上平台规范要求对计算结果进行分析和评估。
结果表明，支撑井架舱壁结构、悬臂梁底部支撑位置及其对应的悬臂梁顶部区域为高应力区域，在进行结构设计时应予以足够重视。
算例中的悬臂梁结构设计满足海上平台规范规定的强度要求，本文的分析方法和所得结论可供平台设计人员参考。
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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。