支架受力分析.pdf

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1、1 | 基本原理：静态线性分析基本原理：静态线性分析 本节概述了对结构力学问题建模的基础，以及如何在 COMSOL Multiphysics 及结构力学模块结构力学模块中应用它们。包括创建几何、定义材料属性和边界约束条件等 操作说明。计算出解以后，我们将学习如何显示和分析结果。 本指南中的模型是一个框架和安装螺栓的装配结构，材料都是钢。这种支架可 用于安装执行器，臂上两孔之间用销钉扣住。几何如图 6 所示。 图 6: 支架的几何结构和载荷分布。 在分析中，假定安装螺栓固定并连接到支架上。要对销钉的外部载荷建模，可 在两个孔洞的内表面指定三角分布的表面压力 p： 其中 P0 是载荷峰值， 是载荷

2、方向的角度。 其中一个臂的载荷向上，另一个的 载荷向下，载荷分布如图 6 所示。 pP0( )cos - 2 - - 2 - - 几何几何 1 中，右键单击形成联合体形成联合体 (fin) ，并选择构建选定构建选定 （或单击设定设定窗口上的按钮） 。 2 在图形图形工具栏上单击缩放到视窗大小缩放到视窗大小 。 该定型定型特征节点可确定在分析中如何考虑装配部分。当选用缺省设置形成联合 体 形成联合 体时，任何相邻的域都将连接在一起，且内部边界假定连续。 如果选择形成装 配体，则不同部分不会相互连接，即可对结构接触进行建模。在第一个例子 中，几何仅包含一个域，因此不存在这种区别。 定义定义 - 函

3、数和选择函数和选择 在此，需要定义表达式将载荷施加到承载的孔。假设载荷分布定义为三角 函数。 5 | 解析1 (an1) 1 在主屏幕主屏幕工具栏，单击函数函数，在局部局部下选择解析解析 。 2 在解析解析的设定设定窗口，在函数名称函数名称文本框中 输入 load。 3 找到定义定义选项，在表达式表达式文本框中输入 F*cos(p-YC)/R*pi/2) （或复制粘贴 此文本） 。替换缺省值。 4 在参变量参变量文本框中输入 F, p。 5 找到单位单位选项，在参变量参变量文本框中输入 Pa， m。 6 在函数函数文本框中输入 Pa。 7 找到绘图参数绘图参数栏。在表中输入如图所示的 设定。

4、8 在解析解析的设定设定窗口单击绘制绘制按钮 ()，将 函数可视化。 | 6 不论是将模型看作一个整体还是装配结构，都需要提取它的不同部分进行定 义，例如，多次对同一组边界和域定义不同的条件。可以通过多种方式创建选 择，例如，通过对象的显式选择或几何位置。框选择独立于几何，允许在改变 几何拓扑的情况下保持预期选择。 在本例中，一个选择包含螺栓域，另一个选择包含孔的承载边界周围的区域。 显式1 1 在定义定义工具栏上单击显式显式 。在定义定义下会添加一个显式显式节点。 7| 2 在显式显式的设定设定窗口，在标签标签栏输入 Bolt 1。也可在任意节点按 F2 来重命 名，或右键单击以选择重命名重

5、命名。 3 找到输出实体输出实体选项，在几何实体层次几何实体层次列表选择边界边界 。 4 仅选择边界边界 18。 Note: 选择几何实体有多种方式。当知道要添加的几何实体时，如这些练习， 便可单击粘贴选择粘贴选择按钮 ，然后在选择选择文本框中输入信息。有关在图形图形窗口 中选择几何实体的更多信息，请参阅 COMSOL Multiphysics Reference Manual。 5 勾选根据连续正切分组根据连续正切分组复选框，会在选择列表添加边界19。 显式2、显式3和显式4 重复显式显式 1 中完成的步骤添加所有四个显式显式节点 。 1 在定义定义工具栏上单击三次显式显式 。 2 在模型开

6、发器模型开发器中，单击以下显式显式节点 以打开设定设定窗口。如下表所示，编 辑设定设定窗口。 | 8 3 以下表为指导，在图形图形窗口选择边界。单击以选择每个节点的根据连续正切 分组 根据连续正切 分组复选框。 此时，定义定义下的节点序列应如下所示： 并集1 1 在定义定义工具栏上，单击并集 并集 。 2 在并集并集的设定设定窗口的标签标签文本框中，输 入 Bolt holes。 3 找到几何实体层次几何实体层次栏。在级别级别列表中选 择边界边界。 4 找到输出实体输出实体栏。在增加的选择增加的选择下单击 增加增加按钮 。 5 在增加增加对话框的增加的选择增加的选择列表中，选 择 Bolt 1

7、、 Bolt 2、 Bolt 3 和 Bolt 4。 6 单击确定确定。 材料材料 COMSOL Multiphysics 为许多常用材料配备了基本材料属性。在此，选择结构 钢。材料会自动分配给所有域。 1 在主屏幕主屏幕工具栏上单击增加材料增加材料 。 2 在增加材料增加材料窗口的基本材料基本材料下，单击 Structural steel。 缺省节点标签新节点标签几何实体层次选择边界缺省节点标签新节点标签几何实体层次选择边界 Explicit 2Bolt 2 边界 20 Explicit 3Bolt 3 边界 31 Explicit 4Bolt 4 边界 33 9 | 3 单击增加到组件增加

8、到组件按钮 。 4 在主屏幕主屏幕工具栏再次单击增加材料增加材料 以关闭窗口。 固体力学固体力学 现在定义物理场设定，如材料模型、载荷及约束。最初，使用与固体力学关联 的经典方程指定分析。 缺省情况下，固体力学固体力学接口假设分析的材料模型为线弹性，在此适用于本模 型。接下来继续设置结构上的约束及载荷。 固定约束1 假设螺栓孔的边界被完全约束。 1 在物理场物理场工具栏上单击边界边界 ，并选择固定约束固定约束。 2 在固定约束固定约束的设定设定窗口中找到边界选择边界选择栏。 | 10 3 在选择选择列表，选择 Bolt holes。 边界载荷1 1 在物理场物理场工具栏上单击边界边界 ，并选择

9、边界载荷边界载荷 。 在支架孔的法线方向施加边界载荷边界载荷。 2 在边界载荷边界载荷的设定设定窗口，在边界选择边界选择中仅选择边界边界 4 和 43。 3 找到坐标系选择坐标系选择选项。 4 在坐标系坐标系列表中，选择边界坐标系：边界坐标系：Boundary System 1 (sys1)。 11 | 5 找到力力栏。指定 FA 向量如下： 以下步骤说明如何在计算解之前可视化当前几何的载荷分布。 在图形窗口显示物理符号在图形窗口显示物理符号 当处理物理特征时，选择会显示在图形图形窗口中，我们可以添加符号来描述应用 到选择的条件类型。 符号仅表明应用到模型的设定类型，而非实际大小或方向。如果要

10、精确和形象 地显示实际施加的载荷，需要先计算解。 可以从首选项首选项菜单开启物理符号。对于 Windows 用户，选择文件文件 首选项首选项。 对于 Mac 和 Linux 用户，选择选项选项 首选项首选项。 在首选项首选项对话框中，单击图形和绘图窗口图形和绘图窗口，选中显示物理符号显示物理符号复选框。单击应 用 应 用或确定确定。现在会在几何中显示符号。可以单击线框渲染线框渲染按钮 来查看各个 位置的符号。 0t1 0t2 load(-P0,Y)n | 12 研究研究 要检查载荷分布，可以计算初始值。对于大模型，这比计算实际解快得多。 在研究研究工具栏单击获取初始值 获取初始值 。 研究研究

11、节点可自动定义仿真的求解器序 列，基于选择的物理场接口 （固体力 学 固体力 学）和研究类型 （稳态稳态） 。由于需要网 格，但尚未创建，研究研究节点会在定义求 解器序列的同时自动生成网格。 Note: 实际上，不要太过依赖缺省的网 格设置。对于大部分实际问题，可能需要要从网格网格工具栏设定合适的网格剖分 参数。 结果结果 在初始状态，所有应力均为零。添加面箭头面箭头图以显示施加的载荷。 应力 (solid) 1 在应力应力 (solid) 工具栏上，单击面箭头 面箭头 （或在模型开发器模型开发器的结果结果下，右 键单击应力应力 (solid) 以选择面箭头面箭头） 。 2 在面箭头面箭头的设

12、定设定窗口中找到表达式表达式栏。单击替换表达式替换表达式 ，并在结果列表 中选择载荷载荷 (Spatial)。 13 | 如果知道要使用的变量的名称，也可以手动输入它们，在这种情况下，可以 执行以下操作： -在 X 分量分量文本框输入（或复制粘贴）solid.FperAreax。替换缺省值。 -在 Y 分量分量文本框输入 solid.FperAreay。 -在 Z 分量分量文本框输入 solid.FperAreaz。 3 在颜色和样式颜色和样式下，从位置位置列表中选择网格网格节点。 4 单击绘制绘制按钮 。 | 14 现在，可以在图形图形窗口中查看施加的载荷是否符合预期。 研究研究 求解模型。

13、在主屏幕主屏幕或研究研究工具栏，单击计算计算 。 结果结果 应力(solid) 1 在图形图形工具栏单击缩放到视窗大小缩放到视窗大小按钮 。 缺省绘图显示了 von Mises 应力和放大的位移变形 （自动缩放） 。 高应力值 位于安装螺栓附近和板之间的过渡区。最大 von Mises 应力低于结构钢的屈 服应力，说明选择线弹性材料分析该结构是合理的。请注意，缺省情况下， 在未变形的结构上绘制了箭头。 三维绘图组 2 添加一个绘图组来显示支架的位移。 1 在主屏幕主屏幕工具栏，单击增加绘图组增加绘图组 ，然后选择三维绘图组 三维绘图组 。 2 在三维绘图组 三维绘图组 2 的设定设定窗口，在标

14、签标签文本框输入总位移总位移。单击桌面任意位置 令设定生效。 总位移 1 在总位移总位移工具栏上，单击表面表面 ，或右键单击总位移，总位移，然后选择表面表面。 2 在表面表面的设定设定窗口，找到表达式表达式栏。注意总位移总位移 solid.disp，作为缺省结果 被选中。 3 在单位单位列表，选择 mm （或在文本框输入 mm） 。 15 | | 16 4 在总位移总位移工具栏上，单击绘制绘制 。也可以单击表面表面的设定设定窗口上的绘制绘制。 三维绘图组3 创建另一个绘图以显示主应力。 1 在主屏幕主屏幕工具栏，单击增加绘图组增加绘图组 ，然后选择三维绘图组 三维绘图组 。 2 在三维绘图组三

15、维绘图组 3 的设定设定窗口，在标签标签文本框输入主应力主应力。 主应力 1 在主应力主应力工具栏上，单击更多图更多图 ，并选择体主应力体主应力 。 17 | 2 在体主应力体主应力的设定设定窗口，找到 定位定位栏。输入以下值以替换缺 省值： -找到 X 格点格点子栏，在点点文本框 输入 30。 -找到 Y 格点格点子栏，在点点文本框 输入 60。 -找到 Z 格点格点子栏，在点点文本框 输入 15。 3 找到颜色和样式颜色和样式栏。从箭头长度箭头长度 列表，选择对数对数。 4 在主应力主应力工具栏，单击绘制绘制 。 | 18 派生值派生值 最后的检查是计算 x、 y 和 z 方向的总反作用力

16、。对约束的边界使用面积分。 面积分- Bolt 1 1 在结果结果工具栏， 单击更多派生值更多派生值 ， 选择积分积分 面积分面积分 。 也可以在模型 开发器 模型 开发器中右键单击派生值派生值，并选择积分积分 面积分面积分。 2 在面积分面积分的设定设定窗口，找到选择选择栏。 3 在选择选择列表，选择 Bolt 1。 4 找到表达式表达式栏。单击表达式表达式栏右上角的替换表达式替换表达式。从菜单中，选择组件组件 1 固体力学固体力学 反作用反作用 反作用力反作用力 (Spatial) solid.RFx - 反作用力，反作用力， x 分量分量。 5 单击计算计算按钮 。 表格表格窗口 （在图形图形窗口下）的表格表格下会添加一个表格表格节点，计算结果会被记 录。重复这些步骤来计算另外两个表达式。 6 在面积分面积分的设定设定窗口，找到表达式表达式栏。 7 在表达式表达式文本框，输入 solid.RFy （替换先前的值） 。 8 单击计算计算按钮 。 9 在面积分面积分的设定设定窗口，找到表达式表达式栏。 19 | 10在表达式表达式文本框，输入 s