基于ANSYS的受拉桿件數值實驗研究★

王 磊 　 薛 娜

(河南城建學院土木工程學院，河南 平頂山　467000)

?

·機械與設備·

基于ANSYS的受拉桿件數值實驗研究★

王 磊 薛 娜

(河南城建學院土木工程學院，河南 平頂山467000)

摘要：運用有限元ANSYS軟件建立了與實驗試件類似的數值模型，模擬分析了桿件在單軸拉伸破壞過程中力學性能的變化規律，模擬結果表明：受拉桿件由于重力的作用及截面參數的不同，其最先受到破壞的部位及受應力集中影響的程度各有不同。

關鍵詞：ANSYS，數值模型，力學性能，應力

0引言

拉桿是工業建筑、機械產業中常用的金屬構件，具有工藝簡潔，高速快節拍的工業化生產模式和強度高，作業范圍廣，便于施工的應用特點。拉桿應用的不斷深入有利于實現工業產品的通用化、生產流程的標準化，在建筑施工行業中有利于節約用材，同時促進建筑材料的輕質化、環?；Ｒ虼?，研究拉桿的截面形式、模具外形、材料力學參數是充分發揮材料機械性能和鋼材斷面性能的必要前提。本文主要研究了低碳鋼的拉伸實驗及數值模擬，并通過ANSYS有限元軟件對工程中常用拉桿的可靠性進行數值比較。

1低碳鋼拉伸實驗

低碳鋼拉伸實驗是按目前GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸實驗方法的規定,試件為圓形截面，截面半徑為5 mm，軸長為100 mm，并在UTM5305電子萬能試驗機上進行試驗,加載速率設置為15 mm/min 。實驗結果如圖1所示。

2ANSYS數值實驗

2.1有限元模型及相關參數

考慮到此拉伸實驗發生在理想狀態下，簡化實驗模型如圖2所示。試件模型的創建采用Solid95單元，且網格的劃分方式采用映射。材料的物理參數是在拉伸實驗所得數據的基礎上進行調試，如表1所示。設置材料的本構關系時，考慮到實際材料應力—應變曲線的復雜性，且材料受實驗溫度、應變速率等外部因素和顆粒位錯密度、顆粒分布方向等內部因素的影響較大，逐步提取材料應力—應變曲線圖中的關鍵點作為計算的依據。關鍵點的擬合曲線圖如圖3所示。本模擬實驗只計算到材料出現頸縮現象的初級階段，故該階段材料的伸長率不足19%。所以在材料的一端施加軸向位移荷載17 mm,同時約束另一端的位移，此處重力忽略不計。ANSYS求解參數設置為60個子步，保證子位移不大于單元長度的1/10。

2.2數值計算結果

在ANSYS后處理板塊，查看模型應力云圖和節點應力，圖4為材料在頸縮狀態時軸向應力的分布。圖5為同一軸線上的節點應力值，可以觀察出材料中間部分應力最大，并且應力值向兩端逐漸減少。最外端出現應力的無序化可以依據圣維南提出的局部影響原理做出解釋。圖中A節點出現應力下跌表明材料已經進入頸縮狀態。提取材料受拉破壞區域的節點應力及應變如圖5所示，圖6為84節點在受拉過程中的應力—應變曲線，可以看出材料的抗拉強度為400 MPa,為了驗證材料在拉伸破壞過程中同截面正應力的同等性,提取坐標值Z1=36，Z2=48，Z3=60截面上節點的正應力，統計結果如圖7所示，同一截面應力值都在一條直線上，表明同截面各節點正應力值相同，驗證了數值模擬的正確性。

3常用拉桿的力學特性比較

3.1受拉桿件在彈性階段的強度計算

對于體積小、截面形式單一的鋼材，在彈性范圍內往往只計算軸力對材料的影響。

σ=N/A

(1)

其中,N為軸向拉力；A為截面面積。

但對于截面形式復雜的材料，如圖8，圖9所示，就得考慮自重及附加彎矩的影響。在重力影響下，文獻指出彈性階段拉桿的撓度很大，軸力的延長線并不通過支點，由此產生的彎矩會與自重產生的彎矩疊加，最終截面上的最大彎矩會減小，其近似值為：

(2)

其中,q為自重產生的均布荷載；l為拉桿的總長度；F為外部荷載；E為材料的彈性模量；Ix為對x軸的慣性矩。

文獻則認為彈性階段材料受拉彎曲所產生的彎矩并不能通過疊加的方式計算，軸力與彎矩之間的關系是非線性的，并給出了推論公式：

(3)

其中，y為距端點為x處的截面豎向位移。

(4)

其中,c1，c2均為常系數。

由式(3)，式(4)得:

(5)

而附加彎矩的產生是由于截面形式的不規則導致截面上的荷載作用點不能與截面形心重合。如圖10所示，由材料力學知截面上的附加彎矩為:

M2=∑Mx+∑My=∫AyσdA+∫AxσdA

(6)

其中應力σ在彈性階段滿足胡克定律:

σ=Eε

(7)

所以在同一截面最大彎矩為:

M=M1±M2

(8)

通過上述不同的計算方法考慮受拉材料的界面彎矩，最終整理受拉材料在彈性階段的應力表達式如下:

(9)

3.2受拉型鋼在塑性狀態下的應力表現

考慮到桿件拉伸進入塑性狀態時其穩定性急劇下降，且各部分物理參數不斷發生突變。所以這里采用有限元軟件進行數值分析。有限元模型依據圖7，圖8建立，模型采用Shell181單元，模型的力學參數及求解參數均依據文章中低碳鋼拉伸模擬的參數進行調試。約束方式如圖8所示，重力方向與z—x平面垂直且向下。

文章編號：1009-6825(2016)14-0198-03

收稿日期：2016-03-09★：河南省高等學校重點科研項目(項目編號：15A560003)

作者簡介：王磊(1993- )，男，在讀本科生;薛娜(1981- )，女，講師

中圖分類號：TU311.41

文獻標識碼：A