ANSYS在材料力学实验教学中的应用-精品文档

1、ANSYS在材料力学实验教学中的应用： This paper introduces ANSYSsoftware analysis into the teaching of bending experiments in material mechanics ， and obtains the stress diagram and strain diagram of beam during the loading process. Then the software analysis result is compared with the experimental result and the t

2、heoretical result ， to further validate the correctness of the calculation formula of the positive stress on the cross-section during the bending process of the beam and its scope of application.0 引言“材料力学”是工科院校中一门重要的技术基础课， 也是一 门理论与实验相结合的课程。 该课程对提高学生实践能力与创新 能力具有极其重要的作用。 材料力学实验部分在整个材料力学中 具有重要地位， 材料力学实

3、验与材料力学理论教学互为支持， 互 为验证，通过实验可以加强对材料力学理论知识的理解。弯曲变形是工程中构件的基本变形之一， 如结构中的梁和板 都是典型的受弯构件。 梁的弯曲正应力计算公式是进行梁的强度 计算的主要依据， 该公式是建立在平截面假设的基础上， 因此对 该公式进行验证具有重要意义。 目前， 大部分高校都是通过开设 弯曲实验课程， 让学生通过实验数据验证弯曲正应力计算公式的 正确性。 这种方法有效， 但却不能让学生直观的观察到梁截面上 应力的分布情况。 为了提高学生的学习兴趣， 同时增强学生的分 析能力和创新能力， 丰富教学内容和实验模式， 本文在实验的基 础上引入大型有限元分析软件

4、ANSYS利用ANSY徽件绘制试件 的变形图、应变图和应力图，并将 ANS YS+算结果和实验结果、 理论计算结果相比较，证实理论计算公式的正确性和应用范围。1 弯曲实验梁的弯曲实验示意图如图 1 所示，截面采用矩形截面， 材料 为低碳钢。如图1所示矩形截面简支梁，截面大小为 12mM 24mm梁 的跨度为820mm分别在距梁端为310mn位置处施加集中力，荷 载等级为3级，每级之间相差60N。弹性模量E=195GPa屈服极 限（T s=360MPa根据外荷载在梁上产生的内力，梁被分为纯弯 段（CD段）和弯剪段（AC BD段）。根据教材，梁的弯曲正应 力计算公式建立在纯弯曲的前提下， 因此，

5、实验也主要测量纯弯 段的应变和位移。在梁 CD段的侧面上，沿与轴线平行的不同高 度的线段上粘贴有五个应变片作为工作片， 另外在梁的右支座以 外粘贴有一个应变片作为温度补偿片。 分别位于中性层上、 梁的 上表面、梁的下表面， 且应变片之间等距， 取梁上表面位置为 0， 应变片位置分别在 0、6、 12、 18、24 高度处。将五个工作片和 温度补偿片的引线以1/4桥形式分别接入DH3818静态应变测试 仪面板上的五个通道中， 组成五个电桥。 通过测试矩形截面梁在纯弯曲作用下横截面的正应力分布规律和转角、 挠度， 验证分析 理论计算公式。 当梁在载荷作用下发生弯曲变形时， 工作片的电 阻值将随着梁

6、的变形而发生变化，通过DH3818静态应变测试仪可以分别测量出各对应位置的应变值。该实验可采用增量法加载。每增加等量载荷F=60N测定各点在0、60、120、180N作用下的相应应变。取应变增量的平均 值 ，依次求出各点的应力增量平均值。根据胡克定律有 A 5 i实=0.195 ,并将其与理论公式得到的应力增量 5 i理= My/lz相比较，来验证弯曲正应力公式的正确性，其中A M=A Pa/2。2 ANS YS分析利用ANS丫徽件，采用BEAM189单元建立梁的模型如图 2所 示，图 3、图 4 和图 5 是梁的变形图、应变图和应力图。图 6 和 图 7 是通过第四强度理论得到的等效应变图和

7、等效应力图。从等效应力图中可以清楚地看出： 纯弯段梁截面上的正应力 靠近中性层处趋近于 0，离中性层越远，数值越大，这证实了弯 曲正应力与中性轴的距离成正比的分布规律。 此外，从应变图中 可以直观看出，梁弯曲变形后纯弯段横截面仍然保持为一个平 面，没有翘曲，这也说明了梁的纯弯段变形符合平截面假设。弯 剪段横截面上除了有正应力外还有切应力， 所以会引起纵截面的 挤压，并且引起横截面翘曲。 但当构件跨长与截面高度之比大于 5 时，可以忽略切应力的影响，所以图中弯剪段截面的翘曲不明 显。弯曲正应力公式仍按照纯弯曲正应力计算公式计算。以下是将i实、i理、ANSYS+算结果对比，如表1 所示。从表 1 可以看出，三种分析结果数值相近，说明实验分析、 有限元分析和理论计算三者相统一， 充分证明了理论公式的正确 性。3 结论本文通过在传统的梁弯曲实验的教学中引入ANS丫盼析，使得分析结果大大增加可视性。 学生可以通过应力图和应变图直观 的看出其分布规律， 增加了教学中的有趣性。 从而提高学生的学 习兴趣，增强学生的分析问题的能力。通过将实验结果、理论计算结果和 ANS 丫盼析结果对比，三 者统一。 充分证明了理论计