羅吉安 周星越

【摘要】數值模擬與物理模型相結合的方法已被廣泛應用于研究物體受力、變形及破壞等方面。以實驗儀器受力工作臺為研究對象，利用大型通用有限元軟件ANSYS建立工作臺模型，詳細介紹幾何建模、網格劃分等前處理過程，模擬不同受力情況下工作臺模型在不同網格密度下的應力變化和變形情況，對工作臺模型進行數值模擬分析，指出有限元分析中的應力奇異問題，并給出相應措施。

【關鍵詞】有限元分析;應力奇異;ANSYS

〔中圖分類號〕TP391.7 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（2021）04-0042-04

0 引言

試驗儀器鋼工作臺用于測量突出端在不同受力下的應力大小及變形情況。應力奇異性是指幾何構造或載荷在有限元分析中引起的彈性理論計算應力值無限大[1]。由于大型有限元軟件ANSYS具有良好的人機交互界面，強大的前處理、分析計算、后處理功能，可以把分析結果圖片化，應力、應變等抽象概念具體化[2]。因此，本文采用ANSYS軟件結合模型把數值分析引入力學求解中，將工作臺材料、所受載荷和約束條件給予工作臺模型，利用軟件模擬和運算功能得出應力、變形云圖[3]，數值實驗進一步補充實體實驗，將抽象與實踐相結合，達到研究目的。通過ANSYS對工作臺模型進行結構靜強度分析，應力云圖展示計算結果，解決應力奇異問題。

1 構建鋼工作臺模型

通過ANSYS建立工作臺模型，單元類型選用Solid45進行建模，該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變的特征，可以直觀描述工作臺變形過程。Solid45單元定義為八節(jié)點的各向同性單元，每個節(jié)點有三個自由度：x、y和z方向的平移[4]。材料特性為彈塑性材料，根據工作臺實際情況，選擇ANSYS中鋼材料模型。選擇合理的材料參數，采用自底向上的方式構建模型，并進行網格劃分，劃分時設定不同的線單元數目來控制網格密度[5]，由ANSYS掃射劃分。由于實際工作臺底面加固螺絲釘，所以在工作臺模型底部挖出兩個空心圓孔，同時在兩空心圓孔中加面約束達到固定工作臺的作用。工作臺模型見圖1。

2 集中力載荷作用點位置的應力奇異分析

在工作臺頂部長方體左側面4個關鍵點施加Y方向大小為100N的連續(xù)荷載，對所建模型進行參數設置和計算，并對模型進行網格劃分。網格劃分是數值模擬的重要前處理過程，網格質量會影響數值模擬結果的準確性，網格數量會影響模擬計算所需的時間[6]。分別設置網格密度為0.5cm、0.25cm、0.1cm，計算分析后得出結果。網格劃分如圖2所示，模型受力如圖3所示，相應的等效應力及等效變形結果見表1，不同網格密度下模型的應力變形云圖及折線圖如圖4所示。

從表1得到的結果可以得出，隨著網格密度的不斷細化，等效應力變化量為3.32%和440.31%，等效變形變化量為1.34%和2.42%。比較表1結果后發(fā)現，隨著網格的不斷細化，施加連續(xù)荷載處的最大應力逐漸增大，最大變形的變化量在逐漸減小，說明最大應力具有發(fā)散性，而最大變形具有收斂性[7]。實際結構中不可能出現隨著網格加密而應力無窮大的情況，因此上述應力結果為應力奇異出當網格細化到0.1cm時，工作臺底部上表面端點的最大應力值達到773.29MPa，界面兩側材料因變形特性的差異而互相約束，使界面出現較高的應力水平（理論上無窮大）[8]，但其他部分的應力值遠沒有這么大，實際生活中結構很難承受這么大的應力。為了使結構穩(wěn)定，結果準確，現對所施加的約束條件進行修改。把施加在工作臺頂部長方體左側面4個關鍵點的連續(xù)荷載去掉，在此面上重新施加100N/cm2的荷載，將原來施加的端點力改為現在施加的面壓力。分別設置網格密度為0.5cm、0.25cm、0.1cm，再次對模型進行網格密度細化。修改約束后的模型受力圖如圖5所示，模型的有限元等效應力及等效變形分析結果見表2，各網格密度下的應力云圖和變形云圖及折線圖見圖6。分析并比較結果后發(fā)現，隨著網格密度的不斷細化，等效應力的變化量為3.31%和44.87%。等效變形的變化量為1.02%和2.02%。應力奇異現象出現在結構連接界面處。與表1相比，等效應力的增幅減小，等效應力的發(fā)散速度得到緩解。

3 結論

本文通過有限元單元法和相關大型計算軟件ANSYS建立了工作臺模型;模擬研究了不同受力情況下工作臺的應力變化和變形情況、有限元分析中的應力奇異問題，結論如下。

（1）應力奇異易出現在集中力載荷作用的點線位置，將模型端點上所施加的荷載改為模型表面上施加荷載，應力奇異問題得到減緩。

（2）構件綁定連接的界面位置也易出現應力奇異問題。在實際工程中，為了避免應力奇異問題，實現不同單元構件的綁定，需選擇合理的連接方式來避免連接位置所產生的應力異常。

（3）對于復雜的因素組合時，比如任意的邊界條件、復雜的幾何形狀等混雜在一起的時候，有限元法都能靈活地處理和求解。

[參考文獻]

[1]王鑫，戚其松.有限元分析中應力奇異問題的處理[J].機械工程與自動化，2014（3）：61-63.

[2]考四明，盧小雨，宮能平.數值模擬在材料力學教學中的應用[J].西南師范大學學報（自然科學版），2014，39（12）：209-211.

[3]方俊芳，張巖基于solidworks的車床主軸受力分析[J]廊坊師范學院學報（自然科學版），2014，14（1）：43-45.

[4]阿肯江·托呼提，亓國慶.基于Solid65和Solid45有限單元的素夯土墻體數值建模及計算分析[J].新疆大學學報（自然科學版），2008（4）：492-498.

[5]鄭文，劉光秀，魏婧.數值模擬試驗在應用型本科土力學中的應用研究[J].價值工程，2018，37（20）：295-297.

[6]劉夢飛，姚志浩，董建新.數值模擬在整鑄渦輪精密成形中的應用現狀[J].精密成形工程，2021，13（1）：35-43.

[7]劉三勇，黃才英.SolidWorks Simulation有限元分析中應力奇異問題的研究[J].現代制造技術與裝備，2020（6）：69-72.

[8]李明超，張夢溪，沈揚，等.高碾壓混凝土重力壩分區(qū)材料—結構界面特性與變形協(xié)調仿真分析[J].水利學報，2020，51（1）：3-13.

[收稿日期]2021-08-20

[基金項目]國家重點實驗室開放基金資助項目（SKLGDUEK1212）;安徽省質量工程項目（2020zyrc054）;安徽高校自然科學重大研究項目（KJ2018ZD010）

[作者簡介]羅吉安（1978-），男，博士，安徽理工大學土木與建筑學院副教授，研究方向：力學相關理論及其在工程中的應用。