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1、工程中的弹塑性力学读书报告作业：基于 ANSYS 对孔口应力集中问题进行简单分析姓名:郭政学号：S20156116基于 ANSYS 对孔口应力集中问题进行简单分析摘要：徐芝纶所著弹性力学给出矩形薄板左右受均布拉力的基尔斯解答，本文利用有限元软件ANSYS数值实验，实现应力场、位移场的可视化。同时定义了应力集中的特征参数来研究应力集中系数与孔径尺度(宽径比、长宽比)、材料所处状态的关系，最后提出一种可应用于工程中减小应力集中的方法。关键词：圆孔应力集中 特征参数 应力集中系数 孔径尺度 材料状态 1引言孔口的尺寸远小于弹性体的尺寸，并且孔边距弹性体的边界比较远（约大于1.5倍孔口尺寸）被定义为小
2、孔口问题。由于开孔，孔口附近的应力远大于无孔时的应力，也远大于距孔口较远处的应力，这种现象称为孔口应力集中。一般来说，集中的程度越高，集中的现象越是局部性的，就是说应力随着与孔的距离增大而越快的趋进于无孔时的应力。应力集中的程度，首先与孔的形状有关，一般来说，圆孔孔边的集中程度最低。另外集中系数还与相对孔径尺度有关。基于ansys平台，通过数值试验的方法，研究不同孔径时的孔边应力集中问题。2 力学模型参考弹性力学和书籍 3我们建立如下模型，如图 1 所示。平面带孔平板，孔位于板正中，假设板为各向同性完全弹性，板两端受均布拉力荷载 ，长为 200mm，宽为 100mm，厚为10qpa0.01mm
3、，泊松比为 0.3， 。 2EG现在我们定义一个描述板宽与孔径的相对尺度的特征参数，定义应力集中系数 ，其中L为板长，B 为1,2BLR max0kq板宽，R为孔半径， 为孔边最大应力，q为均布荷载，q 0为平均应max力。Rqq图1 力学模型3 ANSYS求解3.1 模型建立为了研究不同孔径时的孔边应力集中，我们做一下数值实验。B=100，R=66.67、50、33.33、25、20、16.67、10、5（单位 mm），利用 ANSYS 平台由 值，计算出相应的 值。本模型为轴对称平面k应力问题，所以我们只需要取 模型进行求解即可。具体操作过程14这里不用细讲，生成 的几何模型和变形后模型见
4、图 2、3。0Rm图2 生成的几何模型结果显示图3 变形后的几何形状和未变形轮廓显示3.2 数据分析3.2.1 圆孔附近应力场从 圆孔的X方向应力场分布等值线图（图4、5），我们10Rm发现圆孔附近应力发生了改变：由平均 急剧增加到10pa，即发生了明显的应力集中现象；在远离孔边应急急2783pa:剧减少至 ；孔附近的应力远大于较远处的应力，且最大应力10（图中红色区域）在圆孔的上下边。而弹性力学基尔斯解为，当 ，并且随着远离孔边应力急剧2431rq,3rq趋近于 ，比较数值解与解析解，两者基本吻合，所以我们通过ANSYS来实现解析解的可视化是成功的。图4 和 圆孔 X方向应力10Rm5图5
5、和 圆孔沿Y方向环向正应力分布10Rm53.2 圆孔附近的形变场笔者查阅不少资料，发现文献大多是研究圆孔附近的应力场，而对圆孔附近的形变场阐述很少，下面笔者就用ANSYS来简单分析圆孔附近形变场。弹性力学已经给出矩形薄板左右受均布拉力的基尔斯解（1），我们把该解带入平面问题下的物理方程（2），之后在代入几何方程（3），就得到位移场的通解 1（4）。基尔斯解： 22224221cos13sin13qrrqr（1）平面问题极坐标下的物理方程：1()2(1)E（2）平面问题极坐标下的几何方程：（1uu3）板内位移场通解：2 243243(1)()(1)coscs(1)cos22sinin(1)inq
6、rrruE（4）当 时,运用坐标转换公式, 即可获得在远离孔边弹性薄板内的位r:移分布: (5)quxEyv该结果与无圆孔时单向拉伸的位移解完全一致。图 5 为 圆孔附近的应变场，可见圆孔受拉由圆形变成了椭10Rm圆形，位移场成线性条带状分布，远离小孔位移值逐渐变大，在两端处达到最大，这完全符合位移公式（5）的描述。图5 圆孔附近的应变场3.3 对应力集中的影响1当孔径变化，应力集中现象会有什么改变呢？通过对比图5不同孔径下等效应力场等值线，我们得出结论：孔径越小应力，应力集中现象越明显，应力突然变大的趋势越迅速。在图5中的表现为蓝色区域所占弹性体比例越来越大。图5 和 圆孔等效应力场等值线1
7、0Rm5这里笔者不禁想讨论孔径的大小对应力集中影响到底有多大，我们统计上面8组试验的相对尺度 与应力集中系数 ，得到如下结k果，如表1。表1 应力集中系数 与相对尺度 之间的关系k11.5 2 3 4 5 6 10 20k6.340 4.315 3.309 3.094 3.002 3.000 3.000 3.000将 之间的关系，我们可以推论: 只要弹性体的边界离开圆孔中1心有足够的距离，或者相对尺度 ，应力集中系数趋近稳定，也14就是当板宽一定时，随着小孔孔径变小，小孔对应力集中的影响较小。3.4 对应力集中的影响2为了研究长宽比 对应力集中系数k的影响，我们规定小孔2R=10mm，然后利用
8、ANSYS命令流（见附录）依次改变长宽，并记录应力值，计算出应力集中系数，得出 的/1.04LB: 2k:关系如图6。从图可见，当孔径一定时候，长宽比 也影响应力集中。其中2当 ，应力集中系数趋于稳定；当 ，长宽比 越小，2.0 1.0:2应力集中系数越大。1.01.52.02.53.03.54.03.123.143.163.183.203.23.243.263.28 kL/BR=10m图 6 k:3.5 材料所处的状态对应力集中的影响笔者参阅相关资料 2,发现目前对孔边应力集中问题的研究大多停留在线弹性领域内，并没有反应材料处于屈服阶段、强化阶段的孔边应力集中规律，所以笔者通过 ANSYS
9、建模来找出这一规律。我们假设薄板为各向同性理想的弹塑性材料，泊松比为 0.3，弹性模量 , ,材料的屈服极限20EGpa20,1,0LmBRm，应力集中系数 , 为孔边最大应力，q 为均布4sM ax0kax荷载, 为平均应力。由于研究材料产生屈服前、后的应集中现象，0q所以每一个实验采用 2 中荷载：一种荷载材料未进入屈服状态，另一种荷载进入屈服，实验数据见下表。q maxq0 k80 250.367 88.812 2.819067100 249.681 89.83 2.779483120 261.23 94.354 2.768616140 274.522 100.082 2.7429711
10、60 289.537 105.39 2.747291180 308.319 112.335 2.744639200 339.169 121.83 2.783953210 379.133 134.734 2.813937220 422.438 149.782 2.820352230 465.631 172.631 2.697262240 508.097 200.535 2.53370760801012014016018020202402602.52.52.602.652.702.752.802.85 k q图 6 k:图 7 两端均布荷载 80Mpa、240Mpa 作用下的等效应力图从上表和图
11、6 可见，均布荷载 q=80MPa，材料尚未进入屈服阶段，孔边存在明显的应力集中，且随着荷载逐渐增大，在一定范围内应力集中系数基本上不变（ ）；当均布荷载逐渐接近屈服2.78k极限，应力集中系数迅速下降，设想如果荷载再继续增大，远离孔边的材料都会相继进入屈服状态，尽管变形在不断增加，应力却停留在屈服极限附近不再增加 5。4 减少薄板应力集中的方法通过上面分析，我们知道孔径越小，应力集中越明显。而在实际工程中，有时要求孔径不变且使得应力集中较小，这就需要我们探究新的方法来减少中心孔边的应力集中。通过参阅相关文献4,笔者设想在中心圆孔两侧开对称小孔，已达到减少中心圆孔应力集中，如图 7 所示。图
12、7 圆孔两侧对称开小孔模型我们设定中心小孔 R=10mm，两侧小孔均为 R=5mm。通过ANSYS 实验得到等效应力云图如图 7 所示。可见最大应力位置依然在圆孔上下端，但最大应力值为 2870Pa，较之单孔平板最大应力值3137Pa，降低了 8.51%，说明此方法对减少薄板圆孔应力集中是有效的。至于如何调整两侧小孔的参数（孔径、孔的相对位置），已实现最小应力集中效果。鉴于笔者初学 ANSYS，也不懂复变函数，无法给出相关解析解，这是本报告的遗憾。4 结论（1） 利用ANSYS求解与弹性力学所给解析解基本吻合，并且可以实现应力场、位移场可视化。（2） 当相对尺度 时，应力集中系数 急剧增大；当
13、相对尺度14k时，应力集中系数 趋近稳定。即当板宽一定时，随着孔14k径尺寸变小，应力集中系数趋近一个稳定值，小孔对单向受拉薄板应力集中影响较小。（3） 孔径一定，长宽比 也影响应力集中。当 ，应力集中22.0系数趋于稳定；当 ，长宽比 越小，应力集中系数1.0:越大。（4） 应力集中与材料所处状态有关。材料应力小于屈服极限，应力集中系数基本上稳定，应力接近屈服极限时，应力集中系数突然下降。（5） 在中心圆孔两侧开对称小孔可以有效减少应力集中。参考文献1 刘述伦等.应力集中圆孔附近的形变场J. 安徽建筑工业学院，2011(19):23-24.2 徐芝纶编.弹性力学( 上册).M. 第四版.北京
14、 .高等教育出版社.20063 陈章华.工程中的有限元分析方法M. 北京.冶金工业出版社.20134 朱晓东等.基于ANSYS 平台含圆孔薄板的应力集中分析J.苏州大学学报，2004(24):51-52.5 银光球等.有限板宽孔边应力集中有限元分析J.福州工程学院学报.2009(7):67-68.附录小孔应力集中建模所使用的命令流文件/NOPR ! Suppress printing of UNDO process /PMACRO ! Echo following commands to log FINISH ! Make sure we are at BEGIN level /CLEAR,N
15、OSTART ! Clear model since no SAVE found ! WE SUGGEST YOU REMOVE THIS LINE AND THE FOLLOWING STARTUP LINES !* !* /NOPR /PMETH,OFF,0KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* !* /PREP7 !* ET,1,PLANE82!* !* MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.2e11 MPDATA,PRXY,1,0.3 RECTNG,0,0.125,0,0.05, /DIST,1
