基于ANSYS的低碳鋼拉伸實驗與傳統實驗數據對比分析研究

0 引言

低碳鋼拉伸實驗，試樣使用的材料是Q345，屬于一種低合金結構鋼，其力學性能參數如下：屈服強度σ

應不低于345MPa，抗拉強度σ

約為510MPa，伸長率在20%~25%之間。這種材料廣泛應用于壓力容器、特種設備、車輛、橋梁、船舶、建筑等行業。因此，通過拉伸實驗，讓學生充分了解Q345的力學性能，為其走上工作崗位后能熟練運用打下良好的理論基礎。為了進一步加深學生對低碳鋼拉伸實驗的了解，通過ANSYS模擬分析，得出拉伸應力變化云圖，并將模擬分析數據與實驗數據進行比較，驗證ANSYS軟件在拉伸實驗中運用的可靠性和準確性。在力學實驗中加入ANSYS分析模塊，提高學生們學習興趣的同時，大大提高了實驗教學的效果。

1 實驗數據分析

低碳鋼拉伸實驗是力學基礎實驗中非常重要的一個實驗，通過實驗數據分析，能夠計算驗證低碳鋼這種塑性材料的力學性能。低碳鋼拉伸實驗的試樣屬于國標中的“長試樣”，其拉伸區域平均直徑d

=10mm，則按標準，原始拉伸長度l

=10d

=100mm。實驗過程中，采用左右標記法，分別左對齊與右對齊標出試樣上l

的長度，方便拉伸后測出拉伸長度。經過實驗，獲得數據P

=27092N，P

=39306N，拉伸后長度l

=120.44mm，按照公式可算得屈服強度：

2 ANSYS虛擬仿真實驗平臺搭建及模擬過程

通過學校制定的實驗室開放政策，充分利用實驗室資源、提高實驗室利用率，挖掘實驗室資源潛力，采取有效措施對學生進行實驗室開放，實現資源共享，逐步擴大實驗室開放規模和增加開放時間，不斷充實實驗室開放內涵。力學實驗作為機械基礎實驗的一部分，是機械學院實驗室開放的重點研究內容。以線下力學實驗為基礎，利用ANSYS有限元分析模擬力學實驗過程，從而搭建一套ANSYS虛擬力學實驗仿真平臺。借助計算機輔助計算能力，能夠有效模擬分析力學實驗中試樣的受力情況，以較為直觀的受力云圖反映試樣應力應變特性，此虛擬平臺的搭建，豐富了力學實驗的內容和形式，有助于學生更好的學習力學實驗相關知識。搭建的虛擬仿真實驗平臺，讓學生成為實驗的主體，調動學生參與實驗的積極性，營造有利于創新的氛圍，吸引學生參與開放實驗。鼓勵學生通過實驗發現問題、解決問題，培養學生的創新思維和創新技能，全面提升學生的創新能力。

ANSYSWorkbench具有強大的結構力學模擬計算分析能力，從模型建模、材料屬性設置、網格劃分、載荷施加、分析結果后處理等幾個方面入手，利用搭建的ANSYS虛擬仿真平臺對低碳鋼拉伸實驗進行模擬分析研究。

2.1 基本參數設置

低碳鋼Q345，材料屬性有密度ρ=7850kg/m

，泊松比μ=0.325，彈性模量E=2×10

MPa，啟用多線性隨動強化模型（Multilinear Kinematic Hardening），輸入Q345的相關參數，如圖1。

2.2 繪制模型及網格劃分

綜合Mulligan的研究，我們探討出許多問題。其一，對于Mulligan技術操作方便，效果顯著，但是機制不明確；其二，研究探討某種疾病或功能障礙時，無法給出明確納入標準，禁忌癥與適應證無明確的指南，只是通過疾病的適應癥與禁忌癥大體估量；其三，樣本量和局限性的問題仍不能解決。目前國內與國外的差距明顯。從研究內容上，國外Folk[47]的研究已經進展到手指關節，國內還沒有研究到小關節；從研究文獻的數量上，國外的研究也是領先于國內；從研究領域上，Kim[48]對腦卒中患者步態功能的恢復，應用動態松動術進行研究。

2.3 施加載荷

為了貼合實際拉伸過程，讓模擬計算更加準確，設置載荷加載步數為10。模型一端端面加載固定約束，另一端施加沿x軸方向的正拉力，按時間分為10次加載，載荷按實際拉伸載荷不斷增大。（圖3）

將低碳鋼拉伸實驗的實驗數據與ANSYS虛擬仿真平臺計算數據進行比較分析，進一步驗證ANSYS模擬計算的準確性和有效性。比較分析的數據有塑性指標伸長量、強度指標屈服強度和抗拉強度。

2.4 后處理與數據分析

職業核心能力視域下大學生創新創業教育實施路徑優化…………………………………………陳文亮，杜麗娟（103）

3 實驗數據與模擬數據比較分析

童話樹：“我不服，我要放出我的撒手锏了！當當當當！這可是我小時候不同時期的照片，你們可以看一看，能看得到我的正臉嗎？能看到算我輸。不知道為什么，我小時候一拍照就愛扮鬼臉，好好一小姑娘，不是扯嘴巴，就是動作幅度大，極度夸張，我感覺我小時候是個戲精，啊啊啊！我應該去當個演員。”

蔬菜苗期的猝倒病、立枯病；茄果類的早疫病、晚疫病；瓜類的枯萎病、炭疽病等都是通過床土傳染的。而床土是培育蔬菜壯苗的基礎，好的床土必須是肥沃：養分完全、保肥力強；疏松透氣，既能保蓄一定的水分，又能使空氣流通；而且也應無病原菌、蟲卵和草籽。

伸長量相對誤差：

通過比較，可以看出，三者的誤差均在13%以內，說明ANSYS模擬分析基本上還原了低碳鋼拉伸實驗過程，得出的模擬數據較為可靠有效。因此在日常的低碳鋼拉伸實驗教學中，可以引入ANSYS模擬分析，建立ANSYS虛擬仿真實驗平臺，通過線下實際動手操作實驗和線上計算機虛擬仿真相結合的方式，來充分了解低碳鋼拉伸中的受力過程，豐富教學內容的同時，可以更加直觀反映出低碳鋼拉伸過程中的力學性能變化，增加了學生動手學習的興趣。

4 結論

通過傳統的低碳鋼拉伸實驗和搭建的ANSYS虛擬仿真平臺的拉伸模擬分析，得到的力學性能數據均與Q345的實際力學性能指標接近，因此二者實驗數據均準確可靠。在此基礎上，將ANSYS虛擬仿真分析的數據與傳統實驗數據進行了比較分析，其伸長率、屈服強度和抗拉強度等主要力學性能指標的相對誤差均在可接受的誤差范圍內，這充分說明ANSYS軟件模擬分析可以應用于低碳鋼拉伸實驗中，建立ANSYS虛擬仿真實驗平臺切實可行。在拉伸實驗的實際教學中引入ANSYS軟件模擬，搭建虛擬仿真平臺，不僅能有效地串聯起課程教學內容，而且還能發揮計算機的數值模擬功能。ANSYS中直觀的受力云圖和參數曲線，讓學生更容易理解和掌握拉伸實驗的相關理論知識，拓寬了學生視野和提升了學生形象思維能力的同時，大大提高了教學質量和效率。此外，通過ANSYS的模擬分析，提高了學生熟練運用計算機軟件分析實際問題的能力，為今后的學習和工作打下良好的基礎。

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