薄壁圆筒在载荷作用下的应力和应变

弹塑性力学及有限元法题目：试分析图1薄壁圆筒在载荷作用下的应力和应变（载荷个数、大小、薄壁圆的参数自己选择）。1.三维建模3D模型是对部件进行分析和改进的结果，模型建立的越精确，有限元分析中的网格划分也就越细致，那么得到的结果相应的也就更加的准确，考虑到薄壁圆筒的结构性，将其适当的简化，用SOLIDWORKS建模（如图2）。图2薄壁圆筒三维模型图1薄壁圆筒受力分析其中:外圆柱直径为100mm,高度为20mm,中间圆柱直径为70mm,高度为90mm,孔的直径为60mm,为通孔.考虑到ANSYS和SOLIDWORKS有很多数据接口，例如IGES,PARA,以及SAT等等，为了保证零件导入的完整性，选择另存为PARASOLID（*.x_t）文件，在将其导入ANSYS中的workbench协同仿真环境中。2.有限元分析2.1定义单元的属性1）定义材料属性：选择菜单Toolbox：StaticStructural(ANSYS)ProjectSchematicEngineerDataEditViewOutline在材料属性窗口Material选择StructuralSteel，ViewProperties在弹出的对话框中设置Young'sModulus（弹性模量）为2E11，Poisson'sRatio（泊松比）为0.3，density（密度）为7850，单击OK即可。2）导入模型：选择菜单StaticStructural(ANSYS)：GeometryImportGeometryBrowse将之前存入的PARASOLID（*.x_t）文件导入环境中，并且选择单位为Millimeter(毫米)。3）定义单元的类型：ANSYS提供了190多种不同的单元类型,从普通的线单元、面单元、实体单元到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元等。选择合适的单元类型是进行各类有限元分析的基础,在满足计算精度的同时可以有效的简化单元划分的难度。实体单元类型也比较多,实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常用的实体单元类型有solid45,solid92,solid185,solid187等几种。4）在此,选择单元类型为Solid185,因为Solid185单元是3维8节点实体,该单元用来模拟3维实体,由8个节点定义,每个节点3个自由度:X,Y,Z方向.具有塑性,超弹性应力,超大许用应变,大变形,大应变能力(如图3）。选择菜单StaticStructural(ANSYS)：ModelGeometrySolidInsetCommand在右方出现的命令栏中输入et,matid,185,回车确定。即选择单元类型为三维实体单元Solid185.图3SOLID185几何图形2.2网格划分有限元网格数目过少，容易产生畸变，并影响计算精度；而数目过大，不仅对提高精度作用不大，反而大大增加了计算工作量.1）可以采用ANSYSWORKBENCH提供的mesh网格划分工具生成有限元模型。2）在detailofmesh（划分细节）中选择Sizing，将UseAdvancedSizeFunction项改为ProximityandCurvature，将RelevanceCenter项改为fine。3）选择菜单MODEL，MeshControlMappedFaceMeshing，选中实体准备行映射网格划分。4）选择菜单MODEL，MeshGeneratemesh进行网格划分（如图4）。图4网格划分划分网格后生成：节点数32334个，(如图5所示)单元数19088个（如图5所示)。图5Statistics2.3添加约束和载荷1）添加约束：选择菜单MODEL：StaticStructuralInsetFixedSupport，选择薄壁圆筒的左端面，在下方工具栏中DetailsofFixedSupportScopeGeometry,选择Apply。2）添加载荷：选择菜单MODEL：StaticStructuralInsetMoment，选择薄壁圆筒右端圆柱面，在下方工具栏中DetailsofMomentDefinitionDefinebyComponentsGlobalCoordinateSystemXComponent，输入扭矩值为1000N.m点击确定即可（如图6）。图6添加约束和载荷2.4求解选择菜单MODEL：StaticStructuralsolve，即可对上述设定进行求解。3.结果处理1)选择菜单MODEL：StaticStructuralSolutionInsetStressEquivalent(von-mises),显示节点应力云图（如图7，8所示）。2）选择菜单MODEL：StaticStructuralSolutionInsetStainEquivalent(von-mises),显示薄壁圆筒应变分布图（如图9所示）。3）选择菜单MODEL：StaticStructuralSolutionInsetDeformationTotal绘制变形图（如图10所示）。4)选择菜单MODEL：StaticStructuralSolutionEvaluateAllResults将三种图的结果进行处理。图7节点（von-mises）应力图此处红色区域为应力最大值所在图8薄壁圆筒应变分布图图9薄壁圆筒变形图4.有限元静力学分析根据计算结果，统计数据如表1所示：表1：应力和应变极值类型MINMAX应力144871.6469e8应变7.2434e-8Pa8.2347Mpa变形量0m0.00017195m由图7,8可看出主体钢结构的等效应力分布比较散，虽然处于材料Q235的安全工作范围内，满足强度要求。图7显示，最大应力发生在横截面尺寸不同的两面交接处，等效应力值为35.992MPa小于屈服极限235MPa,故此结构基本符合要求。但是零件容易遭到破坏。如将交界处加工出圆角（如图11），可将应力集中的现象改善。图10改良后的部分图