圆孔应力有限元分析

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有限元分析中的应力

有限元分析中的应力

你真的了解有限元分析中的“应力”吗Feaforall虽然在有限元分析中我们常常会用到软件后处理程序得出的应力值(stress),但其实应力有很多值得我们研究的地方。

如果我们把作用于物体的力产生的各处应力汇总起来,那么应力也就像流体分析CFD中的速度或者压力一样形成应力场“流过”物体,我们抓取感兴趣的地方来进行强度的评估。

然而,由于应力状态变化复杂,并不好在3D单元中进行可视化,所以我们更需要根据软件已有的功能来探究应力的意义。

1. 几乎所有的有限元分析结果中,默认的应力结果是冯米斯应力(Von Mises),冯米斯应力是一个标量结果,并没有力的方向性指示。

学过材料力学的应该知道还有一种应力是主应力(principle stress),主应力是矢量,某些情况下也是非常有用的,那么他们之间有什么区别?2.物理内部的受力在不同部位都不一样,我们怎样尽可能多的去研究内部力场的不同特性并且通过软件可视化出来呢?下面我们将探究上面的两个问题。

什么是应力?首先我们先说说什么是应力。

众所周知,应力(stress)是单位面积上作用的力(forces)。

我们并不好感知或者测量应力,但力(force)是实实在在的,我们可以很好的感知和测量。

物质总是由原子构成的,从原子的维度看,原子之间相吸或者相斥。

物体在没有受力的状态下,原子处于自然状态,所有的力互相平衡,如果物体受到外部力的作用,原子就会偏离平衡位置去寻找新的平衡位置来平衡外部力。

如下图所示,相同长度L上分别有两排5对的原子和两排6对的原子,如果假设原子之间的吸引力相同,那么单位长度上6对原子的应力要比5对的大,扩展到宏观的3D情形同样适用。

力和应力单元微积分学科的发展可以使我们通过数学运用无限(无限大或者无限小)的原理来处理很多实际问题,宏观物体的受力是微观单元的叠加。

在材料力学中,我们把一个无限小的立方体(cube)单元来描述某一点的受力情况。

为什么无限小呢?因为由于无限小,小到物体内部力是均匀的,没有应力变化,只有一种应力状态。

圆形孔口多孔板的有限元分析

圆形孔口多孔板的有限元分析

78现代制造技术与裝备2017第3期总第244期圆形孔口多孔板的有限元分析谭祖龙(普拉克环保系统(北京)有限公司,北京100005)摘要:利用A N S Y S有限元软件,研究不同厚度、载荷和布孔方式下,多孔板最大应力的变化规律,并采 用多项式函数拟合得到最大应力随板厚及载荷的变化曲线。

结果表明,多孔板的最大应力出现在边缘固定支撑位 置,且随着板厚的增大线性减小。

相同载荷及开孔数下,不同的布孔方式对多孔板的最大应力影响不大。

关键词:多孔板最大应力载荷拟合目前,对不同类型多孔板设计仍处于半经验半设计状 态,多孔板的强度设计问题依然通过数值方法估算。

而多 孔板板厚的选择、开孔数目的设计以及布孔方式,将直接 影响多孔板上的最大应力和应变,从而影响污水处理设备 整体的使用寿命。

因此,本文将采用有限元方法,系统研 宄多孔板最大应力随载荷、板厚及布孔方式的变化规律,从而为多孔板设备的设计提供理论依据。

1多孔板几何模型本文以DN2200混床用多孔板为例进行研宄。

多孔板直 径D=2240mm,并在水平和竖直方向上等间距分布,圆形孔 口直径d=36mm,间距大小为130mm。

多孔板的圆孔用于安 装过滤水帽,当水流过水帽时会产生压力差。

一般情况下,多孔板上下表面的压力差在0. 01〜0. 05MPa,设计过程中 水流和重力载荷忽略不计。

2多孔板厚度的有限元验证2.1多孔板的三维建模和定义材料属性在使用ANSYS Workbench进行分析前,采用Pro e软件 建立多孔板的三维模型,如图1所示,通过S T P的格式导 入A N S Y S中。

多孔板有限元模型材料为Q235-B,其材料属 性如表1所示。

[I h M a l||a|«i|^la|g.|n|B i^iE aM i图1多孔板三维模型表1多孔板材料参数弹性模量E密度P泊松比e重力加速度g2. lXIO'MPa7830kg/m30.2749.8m/s22.2网格划分和定义载荷有限元分析过程中,网格的划分质量和密度计算结果 有很大影响。

有限元分析中应力集中的处理方法

有限元分析中应力集中的处理方法

有限元分析中应力集中的处理方法理论上可以证明,如果插值函数使用了“协调和完整的位移函数”,则当网格尺寸逐渐减小而单元数量增加时,解就会单调收敛。

而且,当单元数目增加时,得到的刚度会降低,并收敛于真实刚度;这就意味着,当单元增加时,得到的位移增加,而收敛于精确位移解。

其图形如下:这里所说的“协调和完整位移函数”,是指:1.近似函数式一般是多项式。

2.近似函数在单元内要保持连续。

3.近似函数应提供单元间的连续性,包括离散单元每一个节点所有自由度都应该是连续的,二维单元和三维单元沿着公共边界线和公共面必须是连续的。

既能够保证单元内的连续,又能够保证单元间的连续的形函数称为协调函数。

4.近似函数应考虑刚体位移和单元内的常应变状态。

即有常数项保证刚体运动(无应变的运动),而有一次项保证有常应变状态发生。

这是形函数的完整性问题。

例如,对于一维单元而言,若取形函数则同时满足上面四个条件,称为协调且完整的位移函数。

一般来说,我们所用的单元使用的位移函数都满足上述四个条件,所以从理论上来说,只要网格加密,就可以收敛于真实解。

为了验证上述理论的真实性,我们选用了一个材料力学中的例子来做仿真。

该例子如下使用材料力学的理论进行求解,简要过程如下使用ANSYS进行分析,使用BEAM188单元,首先创建如图所示的几何模型然后分别对各段直线加密网格划分,得到的结果如下上表中,第一列是划分的单元数,第二列是最大的压应力,第三列是最大的拉应力。

可以看到,随着单元数目的增加,最大拉伸,压缩应力的绝对值都在增加。

从材料力学得到的精确解,最大的压应力是-46.2MPa, 最大的拉应力是28. 8MPa。

这样,当单元数增加到64个时,压应力的误差是(46.2-45.7)/46.2 = 1.1%; 拉应力的精度是(28.8-28.6)/28.8=0.7%.此时精度已经相当高了。

可以明显的看出,随着单元数目的增加,应力解的确是在逐渐逼近真实解。

有限元编程作业

有限元编程作业
1,
*Elset, elset=__PickedSurf9_S4, internal, instance=Ball-1
7, 149, 162, 292, 485, 487,……,1098, 1192, 1218, 1260
*Elset, elset=__PickedSurf9_S2, internal, instance=Ball-1
*Element, type=C3D4
1, 163, 164, 165, 166
……
1357, 297, 49, 47, 51
*Nset, nset=_PickedSet2, internal, generate
1, 318, 1
*Elset, elset=_PickedSet2, internal, generate
**定义材料Mat-Ball和Mat-Plate
*Material, name=Mat-Ball
*Density
7800.,
*Elastic
2.068e+11, 0.3
*Material, name=Mat-Plate
*Density
7800.,
*Elastic
2.078e+11, 0.3
*Element, type=C3D8R
1, 243, 244, 17, 16, 1561, 1562, 1335, 1334
……
6135, 6327, 5480, 6359, 7645, 6798, 6797, 7677
**内部节点集
*Nset, nset=_PickedSet2, internal, generate
** STEP: Step-1
**定义一般静态分析步

孔边应力集中的有限元分析

孔边应力集中的有限元分析

孔边应力集中的有限元分析
什么是孔边应力集中?孔边应力集中是指在多孔材料中,由于接触及材料性能不均匀,在接口连接处,特别是在毛细孔处,会出现本来不存在的高应力,有时它的值会超过孔内应力的数倍,也就是说会出现应力的集中。

孔边应力集中问题对许多领域有潜在的重要影响,其最明显的表现为孔边破坏,干涉,腐蚀破坏等破坏及形变。

有限元分析可以有效地准确评估单位孔边应力情况,并及时发现任何可能出现的不良情况。

有限元分析是利用计算机综合运算能力,运用有限元素方法建立数学模型,分析结构、材料或器件的状态和性能的一种技术。

有限元分析可以用来解决复杂的工程结构的力学性能的分析,尤其是在孔边应力集中问题上,有限元分析可以提供有效的方法来准确评估孔边应力。

首先,应当正确确定孔边结构及尺寸,并建立孔边应力集中分析所需的网格几何模型,分析过程将网格结构由混凝土体素切割成一系列有限元,然后计算出孔边应力。

计算结果取决于估算的应力边界条件,及在计算中所使用的材料及结构性能参数,例如混凝土的弹性模量,泊松比,孔的容积比等。

此外,当孔边应力集中发生时,有限元分析可以进一步验证材料应力是否达到应力破坏极限,以判断结构的安全及可靠性。

此外,如果使用了可满足特殊要求的新材料,在分析过程中,同时可以更换材料参数,虚拟试验其孔边应力集中性能。

最后,孔边应力集中分析中,有限元分析可以更精确,更准确地反映孔边结构,进而提供更准确及准确的孔边应力集中情况,从而更加有效地评估结构的安全及可靠性。

总之,有限元分析是解决孔边应力集中问题的一种有效方法。

它能够提供准确的孔边应力能够更加准确的评估结构的安全及可靠性,指导工程设计与实施。

实验四薄板圆孔的有限元分析

实验四薄板圆孔的有限元分析

(2) 生成一个圆孔 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle,弹出如图所示的 【Solid Circular Area】对话框。分别在【WP X】、【WP Y】和【Radius】文本框中输入“0”、 “0”、“5”。单击 OK 按钮,生成结果如下左图所示。 (3) 执行面相减操作 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas,弹出一个拾取 框。拾取编号为 A1 的面,单击 OK 按钮。然后拾取编号为 A2 的圆面,单击 OK 按钮。生 成结果如下右图所示。
泊松比=0.3 拉伸载荷:
P=1000Pa 几何参数:
平板厚度 t=0.1m。 单元类型:
Structural Solid Quad 8node 82 1. 定义工作文件名和工作标题 (1) 定义工作文件名 Utility Menu>File>Change Jobname,输入文件名,选择【New log and error files】复选框, 单击 OK 按钮。 (2) 定义工作标题 Utility Menu>File>Change Title,输入工作标题,单击 OK。 (3) 重新显示 Utility Menu>Plot>Replot (4) 关闭三角坐标符号 Utility Menu>PlotCtrls>Window Controls>Window Options,弹出【Windows Options】对
单击 Add 按钮,弹出如图所示的【Library of Element Types】对话框。选择“Structural Solid” 和“Quad 8node 82”选项,单击 OK 按钮,然后单击 Close 按钮。

圆孔对法兰温度场和应力场影响的有限元分析

圆孔对法兰温度场和应力场影响的有限元分析




借助 A ss 限元 分析 软件 ,对法 兰加 热过程进行 了有限元模 拟 ,研 究了加 热过 程 中的热边界条件 ,分 ny 有
析 了温度场和应 变场的分布及其 变化 。对 比不开孔和 开孔 的法兰在 升温过程的温度分布情 况,结果表 明它们 的温度分 布场不 同。分析结果对于掌握法 兰结构的加热过程 温度 变化 、分析 残余 应力具有 实际指导意义。
关键词 有 限 元 模 拟 ;温 度 场 ;热 边 界 T 3 5 1 G 3 .7 文献标识码 A 文 章编 号 10 7 2 ( 02 0 0 1— 2 0 7— 80 2 1 )4— 4 0 中图分类号
Fi t e e tAna y i ft f c f Ci ce n Te p r t e nie El m n l ss o he Efe to r l so m e a ur Fil n t e s Fi l fFl ng s eds a d S r s eds o a e
法兰在 加 热过程 中 , 温度场 是 重要 的物 理参 数 , 很 多法 兰需 要在 中 间开 孑 , 这 些 孑 将 直 接影 响 法 兰 的 L而 L
时间而变 , 内部具有热源时的 Fu e 导热微分方程 , 并且 or r i 可 以根据 F ui 定律 , 能量守恒原则推导得到… or r e 运用
内部 残余应 力 的大小 和 分布 。文 中采用 A ss 析 软 ny 分
件 对 法兰 加热 过程 中温 度 场 进行 分 析 , 了解 法 兰 加 以 热 过程 中温 度场 和应力 场 分布及 其变 化规 律 。
A 磐+ ) O ㈩ \ + t ( y窘 l 窘+ 0 g 0 /
3 叶拭 22 第 5 第 期 0 年 2卷 4 1

孔边应力集中的有限元分析

孔边应力集中的有限元分析

孔边应力集中的有限元分析
有限元分析是一类工程计算方法,可以有效地解决复杂的工程设计问题。

其中,孔边应力集中的有限元分析是有限元分析中重要的一类分析方法,它可以有效地计算孔边应力集中的几何特征以及孔边应力集中后结构的变形性能。

其在热处理、压力分析、湿润环境,以及多种复杂结构加工工艺中都得到了广泛应用。

孔边应力集中的有限元分析,是通过将复杂结构拆分成若干小单元,然后分别对每个小单元进行有限元模型的构建以及应力分析,从而计算孔边应力集中的后果。

一般来说,孔边应力集中的有限元分析需要考虑的因素包括材料性能、结构尺寸、结构均匀性、介质状态等,以及构造的布置。

首先,在孔边应力集中的有限元分析中,必须确定准确的材料参数,如弹性模量、抗剪强度、塑性变形模量、断裂应变等,以及材料实验试验曲线,以表征材料的性能。

接着,还要考虑到结构尺寸、结构均匀性以及布置等因素,为此,需要仔细分析结构的尺寸影响以及结构的均匀性。

此外,孔边应力集中的有限元分析还要考虑介质状态,一般来讲会考虑温度效应、熔点、热态拉伸等因素,以及在介质中有选择性加载作用时,应力集中状态下的应变分布,以及在等温条件下应力集中时结构的变形性能。

最后,在有限元分析中,应该充分考虑构造的特点,例如构造形状、尺寸、材料类型、应力分布规律及有效性等。

这些都会直接影响
到孔边应力集中的有限元分析的准确性及选择的有限元模型的精确性,因此应在计算之前进行充分的分析,以确保分析的准确性。

总之,孔边应力集中的有限元分析是一类有效的工程计算方法,其对于复杂的结构加工工艺造成的变形、应力分布以及加载效果有着重要的研究价值,需要充分考虑材料性质、结构尺寸以及构造布置等因素,以达到分析的准确性。

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圆孔应力有限元分析陈春山(安徽工业大学工商学院机械工程系)摘要:ANSYS软件的应用领域非常广泛,可应用在以下领域:建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业、冶金等方面,应用ANSYS软件,对平板中心圆孔的应力集中进行了有限元分析,对圆孔平板在单向和双向应力条件下的应力状况进行了计算和分析,并将有限元结果与解析解进行了比较。

关键词: 平板开小圆孔; 应力集中; 有限元分析Round hole stress finite element analysisCHEN Chunshan(Industrial & commercial college , anhui university oftechnology department of mechanical engineering)Abstract : ANSYS software has a very wide range of applications, can be used in the following areas: construction, exploration, geology, surveying and mapping, land, water conservancy, transportation, electric power, environment, forestry, metallurgy, etc., the application of ANSYS software, the flat round hole at the centre of the finite element analysis of stress concentration of circle hole plate under the condition of unidirectional and bidirectional stress calculation and analysis, the stress condition and the finite element results are compared with those of the analytical solutionKey words: flat open small round hole; Stress concentration; The f inite element analysisl 前言ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域:航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

ANSYS软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块[1]。

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。

包括四种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。

延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。

映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分,然后选择合适的单元属性和网格控制,生成映像网格。

ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的,可对复杂模型直接划分,避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。

自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后,用户指示程序自动地生成有限元网格,分析、估计网格的离散误差,然后重新定义网格大小,再次分析计算、估计网格的离散误差,直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有有限元法,边界元法和有限差分法等,但就其实用性和应用的广泛性而言,主要还是有限单元法[2]。

有限元法经过40多年的发展,理论已经相当完善。

科技人员将有限元理论、数值计算技术和计算机辅助技术等相结合,开发出了一批通用的有限元软件,这些软件已经被广泛应用于国民经济建设的许多行业中。

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法,在上个世纪50年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中得到应用,随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题[J]。

ANSYS软件可以对机械结构的静、动态力学特性进行分析。

静力分析是用于静态载荷。

可以考虑结构的线性及非线性行为,例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。

模态分析是计算线性结构的自振频率及振形。

谱分析是模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变[3]。

在机械结构动力学分析中,利用弹性力学有限元建立结构的动力学模型,进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应。

有限元分析技术及其软件(ANSYS)的应用可以增加工程的可行性和装备产品的可靠性,在零件设计后就可以通过模拟发现问题,并进行设计优化,减少了试验经费,降低了产品开发的成本,缩短了投向市场的时间。

因而,大力推进有限元分析技术的科学研究和工业化应用将是发展的趋势[4]。

在机械工程中,有的工件在设计过程中其结构自身含有孔洞,另外,金属构件由于环境影响在制造、运输或使用过程中也会产生微小的缺陷和裂纹.这些孔洞、缺陷和裂纹在外界载荷作用下通常会引起其周围区域(特别是裂纹尖端)的应力集中,进而使工件或容器失效对于孔洞以及裂纹的应力集中问题,目前分析的方法较多.主要分为实验法和数值计算法.实验主要采用光测法,但其费用高、较复杂,而且难以达到很高精确度.数值法目前主要运用权函数法、边界元法、有限元法等,其中有限元法应用较为广泛[7].ANSYS软件是一种有限元分析计算软件,它能较好地计算孔洞以及裂纹周围区域的应力分布,并能计算裂纹的应力强度因子、J积分以及能量释放率等,其特点是简单、经济,而且精度高[6].应用ANSYS软件对圆孔板的应力集中以及中心裂纹、圆孔孔边裂纹板进行了有限元分析.计算了圆孔平板在单向和双向受力下的应力分布以及中心裂纹、圆孔孔边裂纹的应力强度因子,并与理论解进行了比较.受力弹性体内有孔、槽、切口等情形时,内部的应力会急剧局部增大,孔边的应力远大于无孔时的应力,也远大于距孔稍远处的应力,这种现象就是应力集中[7]。

应力集中对金属结构危害很大。

此外,由于环境影响,金属构件在制造、运输使用过程中也会产生微小的孔洞、缺陷和裂纹。

这些孔洞、缺陷和裂纹在外界载荷作用下通常会引起其周围区域(如裂纹尖端等处)的应力集中,从而导致结构失效。

因此,设计人员越来越注重结构件的细节设计品质,以减缓应力集中,提高构件的承载能力和使用寿命。

ANSYS是一种使用较为广泛的有限元分析软件,利用它可以很好的计算圆孔平板在单向、双向受力下的应力分布,而且由于它强大的后处理功能,可以得到孔边应力一应变分布的云图及等值线图,具有简单、经济和直观的特点,同时还具有较高的精确度。

应用此方法,可对具有圆形通孔的平板材料应力集中进行分析[8]。

2实例分析2.1 问题的提出设受力弹性体具有小孔,则孔边应力将远大予元孔耐的应力,也远大于距孔稍远处的应力.这种现象称为孔边应力集中.孔边应力集:中是局部现象,绝不是由于藏面减小而应力有所增大.应力集中的程度,首先与孔的形状有关.而只有圆孔孔边的应力可以用较简单的数学工具进行分析.无限大板宽的孔边应力集中问题,有以下弹性力学的齐尔西解答(极坐标).2.2计算分析模型在ANSYS平台上。

根据对称条件选取I/4试样进行有限元分析,坐标原点位于圆孔中心,圆孔半径为Ro(变量),板的长度为A=20 m,板的宽度为B=A/2=10 m,如图所示,分析中采用八节点实体单元PLANE82,单元属性设置为Plane stress w/thk,弹性模量和泊松比分别为200 GPa和0.3,边界条件为X=0,UX=O;Y=0,UY=0.在板远端作用有沿茗轴方向的100 MPa的均匀分布拉应力,作用面到圆孔中心的距离大于板的宽度2.3 建模[9]( 1) 定义单元类型。

采用的单元类型为Plane82。

( 2) 生成几何模型。

在ANSYS14 .5窗口中,建立一个长为20mm,宽为10mm 的矩形,矩形中间有半径为r 的小圆( 3) 定义材料属性。

材料属性是与几何模型无关的本构关系,ANSYS 对每个单一元类型进行了相应的分类。

故在材料属性对话框中键入( Mpa) ,分别为薄板的杨氏弹性模量与泊松比。

( 4) 划分网格。

首先设定网格尺寸,在单元尺寸控制对话框Element Size on All Selected Areas 中的SIZE 栏键入2. 5mm,然后划分网格并保存数据。

施加荷载并求解( 1) 定义约束并施加荷载。

固定薄板左侧边线,约束左侧边线上节点的所有自由度。

选择左侧边线,并在在弹出Apply U,ROT on Lines 对话框中,选择All DOF。

在薄板右侧边施加均布荷载,在弹出ApplyPRES on Lines 对话框中,键入载荷值方向为负( 由于载荷方向离开板,故拉力为负值,反之为正) ,单击OK 按钮。

( 2) 设置分析选项并求解。

点击Solution > Analysis > New Analysis,在弹出的对话框中选择Static,即将分析类型定为静力分析,并保存当前操作。

点击Solution > Solve > Current LS 进行求解。

2.4应力分布特点分析表明,带孔板的圆孔附近应力发生了改变:由平均100 MPa急剧增加到300.27 MPa(R。

=1 m),即发生了明显的应力集中现象.而且从应力图可以看出茹方向的最大应力在圆孔的上下两侧,并且当外边界是拉载荷时,此处受拉.所以在工程实际中,这两点也是最容易发生破坏的位置,应当加以注意.2.5孔大小的影响2.6结论圆孔附近发生了明显的应力集中现象,且孔径越小应力集中越明显,应力突然变大的趋势越快.3具体模型的有限元分析圆孔应力:该板为正方形块状钢板,边长为20,圆孔的直径为10,在板的左边和右边分别施加水平q=1006N,弹性模量E=2e11,泊松比为0.3,以圆心为坐标原点,半径为5.63.1建模[10]先定义材料类型,选182,点击OK然后点击options,在Element behavior K3 中选择 Plane strs w/thk ,点击OK确定然后定义实常数,点击Add,点击OK,在Thickness THK 中填写0.1,点击OK确定,关闭然后定义弹性模量 2e11和泊松比 0.3,退出建模:创建矩形长20宽10和圆半径5.6,然后利用布尔运算建成模型网格划分:点击网格划分工具 MashTool大小选0.6,然后点击Mash,选择Pick All,进行网格划分加约束:在圆孔左边两条线加约束加载荷:在UX方向加力为1006N,方向为负。

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