基于ANSYS的壓板靜力分析

馬磊

摘? 要：ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件，機構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的的一個應(yīng)用領(lǐng)域。機構(gòu)分析課分為靜力分析、動力學(xué)分析（模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、譜分析）、非線性分析（幾何非線性分析、材料非線性分析、狀態(tài)非線性分析）、優(yōu)化設(shè)計，可靠性分析等幾類。其中，靜力分析是計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。本文以塔機井字架固定的壓板為例，介紹了運用Ansys進(jìn)行靜力分析的一般步驟和做法。

關(guān)鍵詞：ANSYS;靜力分析;壓板

1 結(jié)構(gòu)靜力分析簡介

1.1 結(jié)構(gòu)分析概述

結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物;汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架;航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身;船舶結(jié)構(gòu)等;同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。結(jié)構(gòu)分析就是對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

在ANSYS產(chǎn)品家族中有7種結(jié)構(gòu)分析的類型。結(jié)構(gòu)分析中計算得出的基本未知量（節(jié)點自由度）是位移，其他的一些未知量，如應(yīng)變，應(yīng)力和反力可通過節(jié)點位移導(dǎo)出。絕大多數(shù)的ANSYS單元類型可用于結(jié)構(gòu)分析，所用的單元類型從簡單的桿單元和梁單元一直到較為復(fù)雜的層合殼單元和大應(yīng)變實體單元。

1.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

從計算的線性和非線性的角度可以把結(jié)構(gòu)分析分為線性分析和非線性分析，從載荷與時間的關(guān)系又可以把結(jié)構(gòu)分析分為靜力分析和動態(tài)分析，而線性靜力分析是最基本的分析，這里專門介紹一下。

靜力分析的定義：靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)隨時間變化載荷的情況?？墒?，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷（如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價經(jīng)理風(fēng)載荷和地震載荷）。線性分析是指在分析過程過程中結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以致可以把這種變化忽略，而把分析中的所有非線性項去掉。

靜力分析中的載荷：靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。

靜力分析所施加的載荷包括以下幾種：

①外部施加的作用力和壓力

②穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）

③位移載荷

④溫度載荷

1.3 靜力分析的類型

靜力分析可分為線性靜力分析和非線性靜力分析，靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的。非線性靜力分析包括所有的非線性類型：大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、接觸（間隙）單元、超彈性單元等。從結(jié)構(gòu)的幾何特點上講，無論是線性的還是非線性的靜力分析都可以分為平面問題、軸對稱問題和周期對稱問題及任意三維結(jié)構(gòu)。

2.分析過程

本文將介紹工程中最常見的問題：三維問題。在實際問題中，任何一個物體嚴(yán)格的說都是空間物體，它所受的載荷一般都是空間的，任何簡化分析都會帶來誤差。本文對壓板進(jìn)行ANSYS有限元分析來研究壓板設(shè)計的可行性。

2.1 問題描述

壓板是負(fù)責(zé)固定井字架鋼軌的部件由螺栓連接將固定井字架固定在地面上。本文有兩個問題：

①檢驗壓板是否存在質(zhì)量問題，在承受應(yīng)變的時候是否會因為應(yīng)力而被破壞。

②如果壓板合格，那么其變形是否會對試驗的最終結(jié)果有干擾。

本文初選取12.6號槽鋼，材料為Q235。根據(jù)材料可知常溫時彈性模量為193000MPa，泊松比為0.3。其中壓板的三維尺寸為700X200X126mm。

計算壓板所受到的力：

實驗時液壓泵推動有8KN，12KN，20KN三個力，取最大値20KN。假設(shè)實驗時加一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。

a的長度為（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)）2800+（連接套）300-（下移）100=3000mm

b的長度為1500mm

8個壓板的總力F為

20000×3=0.75×F

F=80000N

單個壓板受力為10000N。

邊界條件為：壓板中間與井字架接觸的地方位移為零。

2.2 建立模型

建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析，進(jìn)行分析的壓板，從Solidworks軟件導(dǎo)入ANSYS中建立模型。

2.3 定義材料和選擇單元類型

根據(jù)Q235和常溫的實驗環(huán)境選擇彈性模量1.93e11pa泊松比0.3密度7.85e3kg/m3。

該結(jié)構(gòu)不是線性結(jié)構(gòu)，也不是板橋單元而是實體單元所以選擇Solid。Solid185具有塑性，超彈性，應(yīng)力強化，大變形，大應(yīng)變能力。可用來模擬幾乎不能壓縮的次彈性材料和完全不能壓縮的超彈性材料的變形。本文的一個研究目的是研究壓板變形對整體試驗的影響，所以選擇Solid185。因為是靜態(tài)分析無特殊要求所以不涉及實常數(shù)。

2.4約束與載荷

載荷分析：壓板整體受力10000N因為由墊片施加載荷所以載荷是在接觸面上的均布載荷。約束：實驗時井字架不能運動才能保證實驗的準(zhǔn)確性，因此井字架與壓板必須緊緊接觸不能運動，所以約束條件為壓板中間與井字架接觸的地方位移為零。正面的受力區(qū)域施加100個載荷為100N的分力。在與井字架接觸的部位施加四個約束。

2.5計算結(jié)果分析

2.5.1材料的應(yīng)力分析

材料采用Q235驗證材料是否有壓潰的現(xiàn)象。由實驗可知應(yīng)力最大的地方在壓板與井字架的接觸面上，壓板容易發(fā)生被左右壓斷的破壞，最大應(yīng)力為13.3MPa所以而Q235的屈服極限235MPa所以材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)安全，不會發(fā)生破壞。

2.5.1材料的變形分析

接下來研究材料是否會發(fā)生大的變形，由實驗結(jié)果可知最大變形為0.0618mm所以且發(fā)生在左側(cè)。此值會影響螺栓的預(yù)緊力可以根據(jù)此值選擇合適的預(yù)緊力，以保障試驗的正確。另外還可以看出壓板左側(cè)變化大于右側(cè)，這是由于劃分網(wǎng)格施加力和約束不準(zhǔn)確所致。

3 結(jié)論

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件，機構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的的一個應(yīng)用領(lǐng)域。機構(gòu)分析可分為靜力分析、動力學(xué)分析（模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、譜分析）、非線性分析（幾何非線性分析、材料非線性分析、狀態(tài)非線性分析）、優(yōu)化設(shè)計，可靠性分析等幾類。本文利用有限元的思想，通過ANSYS的對零件進(jìn)行建模分析，得到了在外力載荷作用下零件的位移和應(yīng)力變化，對零件工作時的載荷分布及位移有了一個直觀的了解。

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