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梁彎曲實(shí)驗教學(xué)中引入ANSYS分析的效果論文
0 引言
"材料力學(xué)"是工科院校中一門(mén)重要的技術(shù)基礎課，也是一門(mén)理論與實(shí)驗相結合的課程。該課程對提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng )新能力具有極其重要的作用。材料力學(xué)實(shí)驗部分在整個(gè)材料力學(xué)中具有重要地位，材料力學(xué)實(shí)驗與材料力學(xué)理論教學(xué)互為支持，互為驗證，通過(guò)實(shí)驗可以加強對材料力學(xué)理論知識的理解。
彎曲變形是工程中構件的基本變形之一，如結構中的梁和板都是典型的受彎構件。梁的彎曲正應力計算公式是進(jìn)行梁的強度計算的主要依據，該公式是建立在平截面假設的基礎上，因此對該公式進(jìn)行驗證具有重要意義。目前，大部分高校都是通過(guò)開(kāi)設彎曲實(shí)驗課程，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗數據驗證彎曲正應力計算公式的正確性。這種方法有效，但卻不能讓學(xué)生直觀(guān)的觀(guān)察到梁截面上應力的分布情況。
為了提高學(xué)生的學(xué)習興趣，同時(shí)增強學(xué)生的分析能力和創(chuàng )新能力，豐富教學(xué)內容和實(shí)驗模式，本文在實(shí)驗的基礎上引入大型有限元分析軟件 ANSYS,利用 ANSYS 軟件繪制試件的變形圖、應變圖和應力圖，并將 ANSYS 計算結果和實(shí)驗結果、理論計算結果相比較，證實(shí)理論計算公式的正確性和應用范圍。
1 彎曲實(shí)驗
梁的彎曲實(shí)驗示意圖如圖 1 所示，截面采用矩形截面，材料為低碳鋼。
如圖 1 所示矩形截面簡(jiǎn)支梁，截面大小為 12mm×24mm,梁的跨度為 820mm.分別在距梁端為 310mm 位置處施加集中力，荷載等級為 3 級，每級之間相差 60N.彈性模量 E=195GPa,屈服極限 σs=360MPa.根據外荷載在梁上產(chǎn)生的內力，梁被分為純彎段（CD 段）和彎剪段（AC、BD段）。根據教材，梁的彎曲正應力計算公式建立在純彎曲的前提下，因此，實(shí)驗也主要測量純彎段的應變和位移。在梁CD 段的側面上，沿與軸線(xiàn)平行的不同高度的線(xiàn)段上粘貼有五個(gè)應變片作為工作片，另外在梁的右支座以外粘貼有一個(gè)應變片作為溫度補償片。分別位于中性層上、梁的上表面、梁的下表面，且應變片之間等距，取梁上表面位置為0,應變片位置分別在 0、6、12、18、24 高度處。將五個(gè)工作片和溫度補償片的引線(xiàn)以 1/4 橋形式分別接入 DH3818靜態(tài)應變測試儀面板上的五個(gè)通道中，組成五個(gè)電橋。通過(guò)測試矩形截面梁在純彎曲作用下橫截面的正應力分布規律和轉角、撓度，驗證分析理論計算公式。當梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，工作片的電阻值將隨著(zhù)梁的變形而發(fā)生變化，通過(guò) DH3818 靜態(tài)應變測試儀可以分別測量出各對應位置的應變值。
該實(shí)驗可采用增量法加載。每增加等量載荷 F=60N,測定各點(diǎn)在 0、60、120、180N 作用下的相應應變。取應變增量的平均值 Δε，依次求出各點(diǎn)的應力增量平均值。根據胡克定律有 Δδi 實(shí)=0.195Δε，并將其與理論公式得到的應力增量 Δδi 理=ΔMy/Iz相比較，來(lái)驗證彎曲正應力公式的正確性，其中 ΔM=ΔPa/2.
2 ANSYS 分析
利用 ANSYS 軟件，采用 BEAM189 單元建立梁的模型如圖 2 所示，圖 3、圖 4 和圖 5 是梁的變形圖、應變圖和應力圖。圖 6 和圖 7 是通過(guò)第四強度理論得到的等效應變圖和等效應力圖。從等效應力圖中可以清楚地看出：純彎段梁截面上的正應力靠近中性層處趨近于 0,離中性層越遠，數值越大，這證實(shí)了彎曲正應力與中性軸的距離成正比的分布規律。
此外，從應變圖中可以直觀(guān)看出，梁彎曲變形后純彎段橫截面仍然保持為一個(gè)平面，沒(méi)有翹曲，這也說(shuō)明了梁的純彎段變形符合平截面假設。彎剪段橫截面上除了有正應力外還有切應力，所以會(huì )引起縱截面的擠壓，并且引起橫截面翹曲。但當構件跨長(cháng)與截面高度之比大于 5 時(shí)，可以忽略切應力的影響，所以圖中彎剪段截面的翹曲不明顯。彎曲正應力公式仍按照純彎曲正應力計算公式計算。
以下是將 Δδi 實(shí)、Δδi 理、ANSYS 計算結果對比。
3 結論
本文通過(guò)在傳統的梁彎曲實(shí)驗的教學(xué)中引入ANSYS 分析，使得分析結果大大增加可視性。學(xué)生可以通過(guò)應力圖和應變圖直觀(guān)的看出其分布規律，增加了教學(xué)中的有趣性。從而提高學(xué)生的學(xué)習興趣，增強學(xué)生的分析問(wèn)題的能力。
通過(guò)將實(shí)驗結果、理論計算結果和 ANSYS 分析結果對比，三者統一。充分證明了理論計算公式的正確性和實(shí)用性。該公式建立在構件純彎曲變形下，且符合平截面假設。對于一般情況下的彎曲，即橫力彎曲，雖然截面上的切應力對彎曲產(chǎn)生影響，但當構件的長(cháng)度比截面高度大于 5時(shí)，可以忽略切應力的影響，彎曲正應力計算公式仍采用。
參考文獻：
[1]孫訓方。材料力學(xué)（1）[M].四版。高等教育出版社，2008.
[2]劉小妹，潘穎，等。ANSYS 在彎曲實(shí)驗教學(xué)中的輔助作用[J].科學(xué)時(shí)代，2012（19）。
[3]浦廣益，宋廣雷。材料力學(xué)實(shí)驗教學(xué)與有限元方法的有機結合[J].人力資源管理，2010（1）。
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