結合具體工程實例將ANSYS引入材料力學

王宏偉,王永廉

(南京工程學院材料學院,南京211167)

結合具體工程實例將ANSYS引入材料力學

王宏偉,王永廉

(南京工程學院材料學院,南京211167)

結合全封閉屏蔽門鋼架橫梁的剛度分析與結構優化的具體實例,探索將有限元軟件ANSYS引入材料力學教學,以增強學生對材料力學的感性認識。由于增加了學生的興趣,降低了材料力學教與學的難度。

材料力學;ANSYS;屏蔽門橫梁;剛度分析;教學

材料力學主要是研究桿件在外力作用下的受力變形和破壞規律,為合理設計構件提供強度、剛度、穩定性方面的理論基礎和計算方法,是工科院校機械和近機類的一門專業技術基礎課。材料力學在整個教學工作中起著十分重要的作用,它對許多后續課程諸如結構力學、鋼結構和鋼筋混凝土結構也具有較大的影響。但從歷屆學生的反映來看,學生在材料力學學習中存在著較大的困難:概念難以正確理解、掌握,公式死記硬背不能透徹理解,參量符號易混淆,實際問題不能靈活運用等。學生此門課程的考試通過率遠遠低于同等性質的理論力學、工程力學等其他專業基礎課。

1 淺析材料力學教學中存在的困難

“風聲雨聲讀書聲,聲聲入耳;家事國事天下事,事事關心”此聯為明朝顧憲成所撰,倡導天下讀書人心系國家安危,以天下為己任。隨著高校擴招規模的日益增大,象牙塔內的學子在學習之余,關注的事情之多用這幅楹聯來形容是再恰當不過了。學以致用不再停留在表面,社會的影響,未來就業、深造的壓力以及視野的擴展、求知欲的增強使他們不單單的滿足課堂上的理解和考試時的高分,他們希望更多、更透徹的了解現在所學和未來應用的關系。對于高等數學這類的基礎課以及理論力學、材料力學這類專業基礎課,學生在學習的同時常常產生“為什么學習這門課”“它與我的專業有什么關聯”的疑問。的確,材料力學概念新而多、符號多、公式多,理論性強,在推導公式時需要進行復雜的幾何和數學推導,如果授課只限于純粹的講解、推導,上述過程中的概念和要素學生要經過腦海中的反復構思和想像才能有所消化,這對初學者來說確實感到有所畏怯。這時類似的疑問就更多起來,如果得不到信服的解釋和合理的誘導學生對這門課就容易產生畏難懈怠的情緒,學起來就沒了興趣,學習效果也就無從談起了。并且教師在授課的同時,為了讓學生掌握這些概念、符號和公式,課后一般布置相當數量的作業,而這些作業除了概念、公式的理解和應用就是大量的計算,學生普遍反映雖然在作業上投入了很多的精力,但因為過分注重繁瑣、機械的計算而忽略了深刻理解基本概念和方法,諸如“這樣反反復復的繁瑣的計算有什么意義”之類的疑問出現也就順理成章了。同時,學生的計算方法還停留在手算階段,難于處理實踐中較為復雜的計算問題,影響了該課程教學的實際應用。

另外,當前眾多高校基于專業建設的需要,不斷壓縮基礎課和專業基礎課的學時,材料力學也面臨同樣的情況,從20世紀90年代的兩學期各96學時的上下冊學習,壓縮到如今的一學期的64學時,這還是相對于機械類學生而言,對于近機類的其他專業,課程學時愈加減少的厲害。但學時大幅度壓縮的同時,因為專業需要教學內容卻不能同等幅度壓縮,這樣在相對少的課時內,教師既要兼顧教學要求又要適當拓展學生知識面,這樣就很難將基本概念講得深刻、透徹,優秀學生的潛能得不到發揮,而基礎差的學生又跟不上教學進度。同時,材料力學理論的建立、驗證以及強度計算中極限應力的測定等均以嚴格的實驗為基礎,材料力學的發展離不開實驗和理論兩個方面,實驗和理論相輔相成同樣重要。然而因為學時限制和學生大幅擴招而導致實驗條件相對滯后的原因,材料力學實驗的開設量也逐年減少,很多高校的材料力學實驗教學只保留了桿件的軸向拉伸壓縮、扭轉試驗和純彎曲梁的應力分布3個驗證性試驗,而這3個實驗是遠遠滿足不了實際教學的需要。在材料力學的教學過程中,每種基本變形都必須通過試驗現象找到變形特征加以基本假設來推導應力公式,但現有的教學內容普遍偏重理論分析,缺少對試驗方法、手段、規范等的介紹與實踐,感性認識不強,學生感覺推導過程枯燥無味,被強行接受得出的結論,生搬硬套,影響創新能力的發揮。

2 解決材料力學教學難的途徑

為了提高學生對于材料力學課程的認知和掌握,許多院校都在材料力學的教學內容、方法、手段等方面開展了一系列的研究,材料力學的計算機輔助教學也是其中的重要內容之一。一方面,教師運用多媒體軟件 Tool book、Power point和Author ware等制作大量精美的教學課件,很大程度上起到了輔助和豐富教學課堂的作用,譬如針對劉鴻文、孫訓方等的材料力學教材制作的電子課件已廣泛運用于材料力學教學;另一方面愈來愈多的有限元軟件,諸如 Ansys、Abaqus和Marc等等也以其強大的計算能力和形象而細致的后處理方法被逐漸被引入了材料力學課堂。它們利用材料力學的理論、有限元方法和計算機知識,分析材料力學中牽扯的內力、應力和變形問題,為課堂提供形象的圖片展示,這在一定程度上彌補了學生實踐經驗少,理論和實際難以結合的缺陷,而且在材料力學實驗的教學和設立環節也頗有體現[1]。但這些談論多限于有限元軟件在某一變形下的應用,譬如王先、梁偉具體演示了基于ANSYS的多跨靜定梁的剪力圖和彎矩圖的畫法[2];楊莉華、孫東明介紹了用ANSYS輔助分析彈塑性直桿拉伸變形的過程[3];李麗君,沈玉鳳將有限元分析軟件ANSYS的屈曲分析應用到壓桿穩定教學中,通過先進的CAE方法,使得壓桿穩定,尤其使歐拉公式抽象的理論教學變得形象生動,充分利用計算機仿真手段彌補了缺少實驗的不足,豐富了學生的知識[4]。然而,對于工程實際如何轉換為力學模型,然后進一步引入材料力學理論卻沒有一個完整系列的分析。本文采用江蘇省軌道車輛現代化裝備工程研究中心科研基金項目——全封閉屏蔽門鋼架橫梁的剛度分析與結構優化[5]這一具體的工程實際,依據從工程實際到力學模型的簡化,然后利用材料力學的理論和有限元方法對力學模型進行模擬分析這一線索演示將有限元軟件引入材料力學教學的可行性。

2.1 實例描述

全封閉屏蔽門是圍繞地鐵站臺邊緣設置的局部開/關可控的連續玻璃屏墻,將列車行車區間與車站候車室分隔開。屏蔽門的鋼架結構主要由橫梁、絕緣襯墊、立柱、支柱和蓋板等組成,通過螺栓連接組成一個完整的受力構件,此構件將屏蔽門受到的荷載傳遞給土建結構。鋼架結構是屏蔽門的垂直荷載、水平風荷載(隧道通風系統產生的風壓、列車運行活塞風壓)以及乘客擠壓力和地震等荷載的主要受力構件。全封閉屏蔽門的鋼架橫梁則是全封閉屏蔽門的主要承載構件,其變形將會導致屏蔽門不能正常開啟與關閉,是一個潛在的安全隱患。圖1為屏蔽門單橫梁鋼架結構原圖。

圖1 屏蔽門單橫梁鋼架結構[6]

2.2 力學模型的建立

本實例橫梁采用 Q235鋼,橫截面為100×100×10的方管,長4.332 m。力學模型的建立過程完全遵循材料力學中力學模型建立的規則。

2.2.1 實際載荷向計算數據的簡化

根據載荷的分布情況,載荷分為集中載荷和分布載荷,橫梁的各個部分均受重力的作用,所以將梁的自重簡化為梁長度方向分布的均布載荷,橫梁附件及風壓分布類似簡化;因為屏蔽門中應急門、活動門和固定門是部分或全部通過吊件懸掛于梁上的部分位置,而這些位置的在橫梁上的長度相對于橫梁自身長度而言基本小于其比值的1/10,所以其自重簡化為各相對位置的集中載荷,吊件自重類似處理。而人擠壓的沖擊載荷和地震力按常規方法被看作為動載荷,具體數值見表1。

表1 橫梁外載數據

2.2.2 約束形式簡化

根據設計圖紙和橫梁實際工作需要分析可得,橫梁一端可以有些許軸向位移,而另一端可以繞支座小范圍偏轉,在力學模型的建立過程中拋去干擾因素可將橫梁一端簡化固定鉸支座,而另一端簡化為成滾動支座。

在實際工作過程中,橫梁的受力基本可歸為橫梁自身、橫梁附件和門自身得重力、擠壓力和地震力。在實例分析的第一階段不考慮動載荷的作用,則相關受力基本上都與梁的軸線垂直,梁的變形可以確定以彎曲變形為主。于是,根據材料力學梁簡圖可用梁軸線表示的原則,得橫梁的力學模型如圖2所示。其中在軟件ANSYS加載處理中,固定鉸支座固定鉸支用x,y兩方向上的位移約束為0表示,滾動支座用y方向上位移約束為0表示。

圖2 橫梁力學模型

2.3 強度、剛度校核

強度方面依據FEM手冊上查得安全系數n=1.7,則許用應力[σ]=138 M Pa,剛度方面地鐵車站要求門體無破壞,橫梁最大彈性變形不超過10 mm。

2.3.1 剪力圖與彎矩圖的繪制

ANSYS軟件是集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用商用有限元分析軟件。有限元分析方法是利用網格離散化將一個連續區域轉化為一族離散的子區域。在這種方法中這些獨立的點的數量是有限的,因此被稱為有限元。由實際的物理模型中推導出來得平衡方程式被使用到每個點上,由此產生了一個方程組。這個方程組可以用線性代數的方法來求解。實例選用的是梁單元BEAM 3,整個梁共分35個單元,36個節點。

依據材料力學的解題步驟,在建立力學模型后應畫出對應于力學模型的內力圖,即剪力圖與彎矩圖。在軟件ANSYS的后處理過程中,對于梁單元,內力和應力都不是單元的基本輸出結果,如需要這些結果,則必須通過單元表的定義后,從單元表中提取結果,單元表的定義參照文獻[7]。圖3和圖4為用ANSYS軟件所繪橫梁在豎直受力情況下的剪力圖與彎矩圖,此剪力圖和手繪圖稍有出入,是由于網格劃分的單元數限制。

圖3 橫梁剪力圖

圖4 橫梁彎矩圖

2.3.2 強度、剛度分析

由后處理器得,橫梁有限元分析結果如下,其中,DM X為撓度最大值,發生在梁中間部位,單位m。橫梁沿豎直方向位移見圖5。類似分析得水平方向位移見圖6。

圖5 豎直方向上的橫梁變形

圖6 水平方向上的橫梁水平方向變形

從ANSYS后處理結果讀取可得,此種情況下橫梁上最大正應力為38.3 M Pa,小于材料的許用應力,則此時橫梁強度滿足工作要求。然而橫梁沿豎直方向的最大位移為7.367 mm,沿水平方向的最大位移為8.899 mm,再考慮到門體自身的變形,按地鐵車站要求系統最大彈性變形不超過10 mm,該橫梁不能滿足屏蔽門的剛度要求。

3 結語

以上的實例分析從具體工程實際到力學模型的簡化,然后聯系材料力學中的應力、變形、強度、剛度等概念,利用ANSYS直觀形象的圖形將抽象的數據變換為形象生動的圖形,有助于減輕學生的學習難度,提高學生的分析思維能力,從而增強學生對結構的感性認識,并且在一定程度上彌補了學生對工程結構及其構件缺乏足夠了解,對桿件受到的約束、荷載以及簡化過程沒有感性認識的缺陷。同時,具體實例的分析可以使學生熟悉工程背景,增強學生的工程觀念,為工程結構分析和設計打下堅實的基礎。這種教學方式亦可使學生擴大眼界、拓寬知識面,初步了解有限元這一現代計算方法。通過ANSYS軟件強大的建模功能和直觀形象的圖形顯示,教師在教學過程中也可生動展示實際構件的受力與約束情況以及建模過程,同時可形象地演示桿件變形的過程,將原來枯燥、乏味的力學概念和理論轉化為圖文并茂、生動形象的畫面,可以啟發學生的形象思維,激發學生的學習興趣,提高教學效率,增強教學效果,從而提高教學質量。

[1] 趙連華.基于VB和 ANSYS的《材料力學仿真實驗》系統 [J].長沙航空職業技術學院學報,2007(1):23-25.

[2] 王先,梁偉.基于ANSYS的多跨靜定梁平面彎曲內力分析方法 [J].桂林航天工業高等專科學校學報,2008(2):5-12.

[3] 楊莉華,孫東明.基于ANSYS的直桿拉伸變形輔助分析[J].機械工程與自動化,2007(5):175-176.

[4] 李麗君,沈玉鳳.ANSYS對于壓桿穩定的輔助教學[J].實驗科學與技術,2008(1):121-125.

[5] 王宏偉,王永廉,馬濤.全封閉屏蔽門網哇架橫梁的剛度分析和結構優化[J].鋼結構,2008(11):33-34.

[6] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設計及力學模型[J].華南理工大學學報:自然科學版,2004(4):75-77.

[7] 王呼佳,陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

Introducing ANSYS into Material Mechanics Teaching Combining with Engineering Examples

Wang Hongwei,Wang Yonglian
(School of Materia l Engineering,N anjing Institute of Technology,Nanjing,Jiangsu 211167,China)

The paper introduces the finite element software such as ANSYS into the material mechanics teaching by a practical engineering example:the finite element simulation of the beam of the fullclosed platform screen doors fo r subways.The aim is to enhance students’perception,interest and reduce the difficulty of teaching and learning.

material mechanics;ANSYS;beam of the platform screen doors;stiffness analysis;teaching

G642.4;TB301

A

1671-2544(2010)06-0118-04

2010-09-02

王宏偉(1976— ),女,河南信陽人,南京工程學院材料學院講師,碩士。王永廉(1955— ),男,江蘇淮陰人,南京工程學院材料學院教授。

(責任編輯:陳錦華)