结合具体工程实例将ANSYS引入材料力学

王宏伟,王永廉

(南京工程学院材料学院,南京211167)

结合具体工程实例将ANSYS引入材料力学

王宏伟,王永廉

(南京工程学院材料学院,南京211167)

结合全封闭屏蔽门钢架横梁的刚度分析与结构优化的具体实例,探索将有限元软件ANSYS引入材料力学教学,以增强学生对材料力学的感性认识。由于增加了学生的兴趣,降低了材料力学教与学的难度。

材料力学;ANSYS;屏蔽门横梁;刚度分析;教学

材料力学主要是研究杆件在外力作用下的受力变形和破坏规律,为合理设计构件提供强度、刚度、稳定性方面的理论基础和计算方法,是工科院校机械和近机类的一门专业技术基础课。材料力学在整个教学工作中起着十分重要的作用,它对许多后续课程诸如结构力学、钢结构和钢筋混凝土结构也具有较大的影响。但从历届学生的反映来看,学生在材料力学学习中存在着较大的困难:概念难以正确理解、掌握,公式死记硬背不能透彻理解,参量符号易混淆,实际问题不能灵活运用等。学生此门课程的考试通过率远远低于同等性质的理论力学、工程力学等其他专业基础课。

1 浅析材料力学教学中存在的困难

“风声雨声读书声,声声入耳;家事国事天下事,事事关心”此联为明朝顾宪成所撰,倡导天下读书人心系国家安危,以天下为己任。随着高校扩招规模的日益增大,象牙塔内的学子在学习之余,关注的事情之多用这幅楹联来形容是再恰当不过了。学以致用不再停留在表面,社会的影响,未来就业、深造的压力以及视野的扩展、求知欲的增强使他们不单单的满足课堂上的理解和考试时的高分,他们希望更多、更透彻的了解现在所学和未来应用的关系。对于高等数学这类的基础课以及理论力学、材料力学这类专业基础课,学生在学习的同时常常产生“为什么学习这门课”“它与我的专业有什么关联”的疑问。的确,材料力学概念新而多、符号多、公式多,理论性强,在推导公式时需要进行复杂的几何和数学推导,如果授课只限于纯粹的讲解、推导,上述过程中的概念和要素学生要经过脑海中的反复构思和想像才能有所消化,这对初学者来说确实感到有所畏怯。这时类似的疑问就更多起来,如果得不到信服的解释和合理的诱导学生对这门课就容易产生畏难懈怠的情绪,学起来就没了兴趣,学习效果也就无从谈起了。并且教师在授课的同时,为了让学生掌握这些概念、符号和公式,课后一般布置相当数量的作业,而这些作业除了概念、公式的理解和应用就是大量的计算,学生普遍反映虽然在作业上投入了很多的精力,但因为过分注重繁琐、机械的计算而忽略了深刻理解基本概念和方法,诸如“这样反反复复的繁琐的计算有什么意义”之类的疑问出现也就顺理成章了。同时,学生的计算方法还停留在手算阶段,难于处理实践中较为复杂的计算问题,影响了该课程教学的实际应用。

另外,当前众多高校基于专业建设的需要,不断压缩基础课和专业基础课的学时,材料力学也面临同样的情况,从20世纪90年代的两学期各96学时的上下册学习,压缩到如今的一学期的64学时,这还是相对于机械类学生而言,对于近机类的其他专业,课程学时愈加减少的厉害。但学时大幅度压缩的同时,因为专业需要教学内容却不能同等幅度压缩,这样在相对少的课时内,教师既要兼顾教学要求又要适当拓展学生知识面,这样就很难将基本概念讲得深刻、透彻,优秀学生的潜能得不到发挥,而基础差的学生又跟不上教学进度。同时,材料力学理论的建立、验证以及强度计算中极限应力的测定等均以严格的实验为基础,材料力学的发展离不开实验和理论两个方面,实验和理论相辅相成同样重要。然而因为学时限制和学生大幅扩招而导致实验条件相对滞后的原因,材料力学实验的开设量也逐年减少,很多高校的材料力学实验教学只保留了杆件的轴向拉伸压缩、扭转试验和纯弯曲梁的应力分布3个验证性试验,而这3个实验是远远满足不了实际教学的需要。在材料力学的教学过程中,每种基本变形都必须通过试验现象找到变形特征加以基本假设来推导应力公式,但现有的教学内容普遍偏重理论分析,缺少对试验方法、手段、规范等的介绍与实践,感性认识不强,学生感觉推导过程枯燥无味,被强行接受得出的结论,生搬硬套,影响创新能力的发挥。

2 解决材料力学教学难的途径

为了提高学生对于材料力学课程的认知和掌握,许多院校都在材料力学的教学内容、方法、手段等方面开展了一系列的研究,材料力学的计算机辅助教学也是其中的重要内容之一。一方面,教师运用多媒体软件 Tool book、Power point和Author ware等制作大量精美的教学课件,很大程度上起到了辅助和丰富教学课堂的作用,譬如针对刘鸿文、孙训方等的材料力学教材制作的电子课件已广泛运用于材料力学教学;另一方面愈来愈多的有限元软件,诸如 Ansys、Abaqus和Marc等等也以其强大的计算能力和形象而细致的后处理方法被逐渐被引入了材料力学课堂。它们利用材料力学的理论、有限元方法和计算机知识,分析材料力学中牵扯的内力、应力和变形问题,为课堂提供形象的图片展示,这在一定程度上弥补了学生实践经验少,理论和实际难以结合的缺陷,而且在材料力学实验的教学和设立环节也颇有体现[1]。但这些谈论多限于有限元软件在某一变形下的应用,譬如王先、梁伟具体演示了基于ANSYS的多跨静定梁的剪力图和弯矩图的画法[2];杨莉华、孙东明介绍了用ANSYS辅助分析弹塑性直杆拉伸变形的过程[3];李丽君,沈玉凤将有限元分析软件ANSYS的屈曲分析应用到压杆稳定教学中,通过先进的CAE方法,使得压杆稳定,尤其使欧拉公式抽象的理论教学变得形象生动,充分利用计算机仿真手段弥补了缺少实验的不足,丰富了学生的知识[4]。然而,对于工程实际如何转换为力学模型,然后进一步引入材料力学理论却没有一个完整系列的分析。本文采用江苏省轨道车辆现代化装备工程研究中心科研基金项目——全封闭屏蔽门钢架横梁的刚度分析与结构优化[5]这一具体的工程实际,依据从工程实际到力学模型的简化,然后利用材料力学的理论和有限元方法对力学模型进行模拟分析这一线索演示将有限元软件引入材料力学教学的可行性。

2.1 实例描述

全封闭屏蔽门是围绕地铁站台边缘设置的局部开/关可控的连续玻璃屏墙,将列车行车区间与车站候车室分隔开。屏蔽门的钢架结构主要由横梁、绝缘衬垫、立柱、支柱和盖板等组成,通过螺栓连接组成一个完整的受力构件,此构件将屏蔽门受到的荷载传递给土建结构。钢架结构是屏蔽门的垂直荷载、水平风荷载(隧道通风系统产生的风压、列车运行活塞风压)以及乘客挤压力和地震等荷载的主要受力构件。全封闭屏蔽门的钢架横梁则是全封闭屏蔽门的主要承载构件,其变形将会导致屏蔽门不能正常开启与关闭,是一个潜在的安全隐患。图1为屏蔽门单横梁钢架结构原图。

图1 屏蔽门单横梁钢架结构[6]

2.2 力学模型的建立

本实例横梁采用 Q235钢,横截面为100×100×10的方管,长4.332 m。力学模型的建立过程完全遵循材料力学中力学模型建立的规则。

2.2.1 实际载荷向计算数据的简化

根据载荷的分布情况,载荷分为集中载荷和分布载荷,横梁的各个部分均受重力的作用,所以将梁的自重简化为梁长度方向分布的均布载荷,横梁附件及风压分布类似简化;因为屏蔽门中应急门、活动门和固定门是部分或全部通过吊件悬挂于梁上的部分位置,而这些位置的在横梁上的长度相对于横梁自身长度而言基本小于其比值的1/10,所以其自重简化为各相对位置的集中载荷,吊件自重类似处理。而人挤压的冲击载荷和地震力按常规方法被看作为动载荷,具体数值见表1。

表1 横梁外载数据

2.2.2 约束形式简化

根据设计图纸和横梁实际工作需要分析可得,横梁一端可以有些许轴向位移,而另一端可以绕支座小范围偏转,在力学模型的建立过程中抛去干扰因素可将横梁一端简化固定铰支座,而另一端简化为成滚动支座。

在实际工作过程中,横梁的受力基本可归为横梁自身、横梁附件和门自身得重力、挤压力和地震力。在实例分析的第一阶段不考虑动载荷的作用,则相关受力基本上都与梁的轴线垂直,梁的变形可以确定以弯曲变形为主。于是,根据材料力学梁简图可用梁轴线表示的原则,得横梁的力学模型如图2所示。其中在软件ANSYS加载处理中,固定铰支座固定铰支用x,y两方向上的位移约束为0表示,滚动支座用y方向上位移约束为0表示。

图2 横梁力学模型

2.3 强度、刚度校核

强度方面依据FEM手册上查得安全系数n=1.7,则许用应力[σ]=138 M Pa,刚度方面地铁车站要求门体无破坏,横梁最大弹性变形不超过10 mm。

2.3.1 剪力图与弯矩图的绘制

ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用商用有限元分析软件。有限元分析方法是利用网格离散化将一个连续区域转化为一族离散的子区域。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的,因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上,由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。实例选用的是梁单元BEAM 3,整个梁共分35个单元,36个节点。

依据材料力学的解题步骤,在建立力学模型后应画出对应于力学模型的内力图,即剪力图与弯矩图。在软件ANSYS的后处理过程中,对于梁单元,内力和应力都不是单元的基本输出结果,如需要这些结果,则必须通过单元表的定义后,从单元表中提取结果,单元表的定义参照文献[7]。图3和图4为用ANSYS软件所绘横梁在竖直受力情况下的剪力图与弯矩图,此剪力图和手绘图稍有出入,是由于网格划分的单元数限制。

图3 横梁剪力图

图4 横梁弯矩图

2.3.2 强度、刚度分析

由后处理器得,横梁有限元分析结果如下,其中,DM X为挠度最大值,发生在梁中间部位,单位m。横梁沿竖直方向位移见图5。类似分析得水平方向位移见图6。

图5 竖直方向上的横梁变形

图6 水平方向上的横梁水平方向变形

从ANSYS后处理结果读取可得,此种情况下横梁上最大正应力为38.3 M Pa,小于材料的许用应力,则此时横梁强度满足工作要求。然而横梁沿竖直方向的最大位移为7.367 mm,沿水平方向的最大位移为8.899 mm,再考虑到门体自身的变形,按地铁车站要求系统最大弹性变形不超过10 mm,该横梁不能满足屏蔽门的刚度要求。

3 结语

以上的实例分析从具体工程实际到力学模型的简化,然后联系材料力学中的应力、变形、强度、刚度等概念,利用ANSYS直观形象的图形将抽象的数据变换为形象生动的图形,有助于减轻学生的学习难度,提高学生的分析思维能力,从而增强学生对结构的感性认识,并且在一定程度上弥补了学生对工程结构及其构件缺乏足够了解,对杆件受到的约束、荷载以及简化过程没有感性认识的缺陷。同时,具体实例的分析可以使学生熟悉工程背景,增强学生的工程观念,为工程结构分析和设计打下坚实的基础。这种教学方式亦可使学生扩大眼界、拓宽知识面,初步了解有限元这一现代计算方法。通过ANSYS软件强大的建模功能和直观形象的图形显示,教师在教学过程中也可生动展示实际构件的受力与约束情况以及建模过程,同时可形象地演示杆件变形的过程,将原来枯燥、乏味的力学概念和理论转化为图文并茂、生动形象的画面,可以启发学生的形象思维,激发学生的学习兴趣,提高教学效率,增强教学效果,从而提高教学质量。

[1] 赵连华.基于VB和 ANSYS的《材料力学仿真实验》系统 [J].长沙航空职业技术学院学报,2007(1):23-25.

[2] 王先,梁伟.基于ANSYS的多跨静定梁平面弯曲内力分析方法 [J].桂林航天工业高等专科学校学报,2008(2):5-12.

[3] 杨莉华,孙东明.基于ANSYS的直杆拉伸变形辅助分析[J].机械工程与自动化,2007(5):175-176.

[4] 李丽君,沈玉凤.ANSYS对于压杆稳定的辅助教学[J].实验科学与技术,2008(1):121-125.

[5] 王宏伟,王永廉,马涛.全封闭屏蔽门网哇架横梁的刚度分析和结构优化[J].钢结构,2008(11):33-34.

[6] 陈海辉.地铁屏蔽门的机械设计及力学模型[J].华南理工大学学报:自然科学版,2004(4):75-77.

[7] 王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京:中国水利水电出版社,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

王宏伟(1976— ),女,河南信阳人,南京工程学院材料学院讲师,硕士。王永廉(1955— ),男,江苏淮阴人,南京工程学院材料学院教授。

(责任编辑:陈锦华)