王宏偉,王永廉

(南京工程學(xué)院材料學(xué)院,南京211167)

結(jié)合具體工程實例將ANSYS引入材料力學(xué)

王宏偉,王永廉

(南京工程學(xué)院材料學(xué)院,南京211167)

結(jié)合全封閉屏蔽門鋼架橫梁的剛度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體實例,探索將有限元軟件ANSYS引入材料力學(xué)教學(xué),以增強學(xué)生對材料力學(xué)的感性認識。由于增加了學(xué)生的興趣,降低了材料力學(xué)教與學(xué)的難度。

材料力學(xué);ANSYS;屏蔽門橫梁;剛度分析;教學(xué)

材料力學(xué)主要是研究桿件在外力作用下的受力變形和破壞規(guī)律,為合理設(shè)計構(gòu)件提供強度、剛度、穩(wěn)定性方面的理論基礎(chǔ)和計算方法,是工科院校機械和近機類的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。材料力學(xué)在整個教學(xué)工作中起著十分重要的作用,它對許多后續(xù)課程諸如結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也具有較大的影響。但從歷屆學(xué)生的反映來看,學(xué)生在材料力學(xué)學(xué)習(xí)中存在著較大的困難:概念難以正確理解、掌握,公式死記硬背不能透徹理解,參量符號易混淆,實際問題不能靈活運用等。學(xué)生此門課程的考試通過率遠遠低于同等性質(zhì)的理論力學(xué)、工程力學(xué)等其他專業(yè)基礎(chǔ)課。

1 淺析材料力學(xué)教學(xué)中存在的困難

“風(fēng)聲雨聲讀書聲,聲聲入耳;家事國事天下事,事事關(guān)心”此聯(lián)為明朝顧憲成所撰,倡導(dǎo)天下讀書人心系國家安危,以天下為己任。隨著高校擴招規(guī)模的日益增大,象牙塔內(nèi)的學(xué)子在學(xué)習(xí)之余,關(guān)注的事情之多用這幅楹聯(lián)來形容是再恰當(dāng)不過了。學(xué)以致用不再停留在表面,社會的影響,未來就業(yè)、深造的壓力以及視野的擴展、求知欲的增強使他們不單單的滿足課堂上的理解和考試時的高分,他們希望更多、更透徹的了解現(xiàn)在所學(xué)和未來應(yīng)用的關(guān)系。對于高等數(shù)學(xué)這類的基礎(chǔ)課以及理論力學(xué)、材料力學(xué)這類專業(yè)基礎(chǔ)課,學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時常常產(chǎn)生“為什么學(xué)習(xí)這門課”“它與我的專業(yè)有什么關(guān)聯(lián)”的疑問。的確,材料力學(xué)概念新而多、符號多、公式多,理論性強,在推導(dǎo)公式時需要進行復(fù)雜的幾何和數(shù)學(xué)推導(dǎo),如果授課只限于純粹的講解、推導(dǎo),上述過程中的概念和要素學(xué)生要經(jīng)過腦海中的反復(fù)構(gòu)思和想像才能有所消化,這對初學(xué)者來說確實感到有所畏怯。這時類似的疑問就更多起來,如果得不到信服的解釋和合理的誘導(dǎo)學(xué)生對這門課就容易產(chǎn)生畏難懈怠的情緒,學(xué)起來就沒了興趣,學(xué)習(xí)效果也就無從談起了。并且教師在授課的同時,為了讓學(xué)生掌握這些概念、符號和公式,課后一般布置相當(dāng)數(shù)量的作業(yè),而這些作業(yè)除了概念、公式的理解和應(yīng)用就是大量的計算,學(xué)生普遍反映雖然在作業(yè)上投入了很多的精力,但因為過分注重繁瑣、機械的計算而忽略了深刻理解基本概念和方法,諸如“這樣反反復(fù)復(fù)的繁瑣的計算有什么意義”之類的疑問出現(xiàn)也就順理成章了。同時,學(xué)生的計算方法還停留在手算階段,難于處理實踐中較為復(fù)雜的計算問題,影響了該課程教學(xué)的實際應(yīng)用。

另外,當(dāng)前眾多高?；趯I(yè)建設(shè)的需要,不斷壓縮基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)時,材料力學(xué)也面臨同樣的情況,從20世紀90年代的兩學(xué)期各96學(xué)時的上下冊學(xué)習(xí),壓縮到如今的一學(xué)期的64學(xué)時,這還是相對于機械類學(xué)生而言,對于近機類的其他專業(yè),課程學(xué)時愈加減少的厲害。但學(xué)時大幅度壓縮的同時,因為專業(yè)需要教學(xué)內(nèi)容卻不能同等幅度壓縮,這樣在相對少的課時內(nèi),教師既要兼顧教學(xué)要求又要適當(dāng)拓展學(xué)生知識面,這樣就很難將基本概念講得深刻、透徹,優(yōu)秀學(xué)生的潛能得不到發(fā)揮,而基礎(chǔ)差的學(xué)生又跟不上教學(xué)進度。同時,材料力學(xué)理論的建立、驗證以及強度計算中極限應(yīng)力的測定等均以嚴格的實驗為基礎(chǔ),材料力學(xué)的發(fā)展離不開實驗和理論兩個方面,實驗和理論相輔相成同樣重要。然而因為學(xué)時限制和學(xué)生大幅擴招而導(dǎo)致實驗條件相對滯后的原因,材料力學(xué)實驗的開設(shè)量也逐年減少,很多高校的材料力學(xué)實驗教學(xué)只保留了桿件的軸向拉伸壓縮、扭轉(zhuǎn)試驗和純彎曲梁的應(yīng)力分布3個驗證性試驗,而這3個實驗是遠遠滿足不了實際教學(xué)的需要。在材料力學(xué)的教學(xué)過程中,每種基本變形都必須通過試驗現(xiàn)象找到變形特征加以基本假設(shè)來推導(dǎo)應(yīng)力公式,但現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容普遍偏重理論分析,缺少對試驗方法、手段、規(guī)范等的介紹與實踐,感性認識不強,學(xué)生感覺推導(dǎo)過程枯燥無味,被強行接受得出的結(jié)論,生搬硬套,影響創(chuàng)新能力的發(fā)揮。

2 解決材料力學(xué)教學(xué)難的途徑

為了提高學(xué)生對于材料力學(xué)課程的認知和掌握,許多院校都在材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、方法、手段等方面開展了一系列的研究,材料力學(xué)的計算機輔助教學(xué)也是其中的重要內(nèi)容之一。一方面,教師運用多媒體軟件 Tool book、Power point和Author ware等制作大量精美的教學(xué)課件,很大程度上起到了輔助和豐富教學(xué)課堂的作用,譬如針對劉鴻文、孫訓(xùn)方等的材料力學(xué)教材制作的電子課件已廣泛運用于材料力學(xué)教學(xué);另一方面愈來愈多的有限元軟件,諸如 Ansys、Abaqus和Marc等等也以其強大的計算能力和形象而細致的后處理方法被逐漸被引入了材料力學(xué)課堂。它們利用材料力學(xué)的理論、有限元方法和計算機知識,分析材料力學(xué)中牽扯的內(nèi)力、應(yīng)力和變形問題,為課堂提供形象的圖片展示,這在一定程度上彌補了學(xué)生實踐經(jīng)驗少,理論和實際難以結(jié)合的缺陷,而且在材料力學(xué)實驗的教學(xué)和設(shè)立環(huán)節(jié)也頗有體現(xiàn)[1]。但這些談?wù)摱嘞抻谟邢拊浖谀骋蛔冃蜗碌膽?yīng)用,譬如王先、梁偉具體演示了基于ANSYS的多跨靜定梁的剪力圖和彎矩圖的畫法[2];楊莉華、孫東明介紹了用ANSYS輔助分析彈塑性直桿拉伸變形的過程[3];李麗君,沈玉鳳將有限元分析軟件ANSYS的屈曲分析應(yīng)用到壓桿穩(wěn)定教學(xué)中,通過先進的CAE方法,使得壓桿穩(wěn)定,尤其使歐拉公式抽象的理論教學(xué)變得形象生動,充分利用計算機仿真手段彌補了缺少實驗的不足,豐富了學(xué)生的知識[4]。然而,對于工程實際如何轉(zhuǎn)換為力學(xué)模型,然后進一步引入材料力學(xué)理論卻沒有一個完整系列的分析。本文采用江蘇省軌道車輛現(xiàn)代化裝備工程研究中心科研基金項目——全封閉屏蔽門鋼架橫梁的剛度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]這一具體的工程實際,依據(jù)從工程實際到力學(xué)模型的簡化,然后利用材料力學(xué)的理論和有限元方法對力學(xué)模型進行模擬分析這一線索演示將有限元軟件引入材料力學(xué)教學(xué)的可行性。

2.1 實例描述

全封閉屏蔽門是圍繞地鐵站臺邊緣設(shè)置的局部開/關(guān)可控的連續(xù)玻璃屏墻,將列車行車區(qū)間與車站候車室分隔開。屏蔽門的鋼架結(jié)構(gòu)主要由橫梁、絕緣襯墊、立柱、支柱和蓋板等組成,通過螺栓連接組成一個完整的受力構(gòu)件,此構(gòu)件將屏蔽門受到的荷載傳遞給土建結(jié)構(gòu)。鋼架結(jié)構(gòu)是屏蔽門的垂直荷載、水平風(fēng)荷載(隧道通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)壓、列車運行活塞風(fēng)壓)以及乘客擠壓力和地震等荷載的主要受力構(gòu)件。全封閉屏蔽門的鋼架橫梁則是全封閉屏蔽門的主要承載構(gòu)件,其變形將會導(dǎo)致屏蔽門不能正常開啟與關(guān)閉,是一個潛在的安全隱患。圖1為屏蔽門單橫梁鋼架結(jié)構(gòu)原圖。

圖1 屏蔽門單橫梁鋼架結(jié)構(gòu)[6]

2.2 力學(xué)模型的建立

本實例橫梁采用 Q235鋼,橫截面為100×100×10的方管,長4.332 m。力學(xué)模型的建立過程完全遵循材料力學(xué)中力學(xué)模型建立的規(guī)則。

2.2.1 實際載荷向計算數(shù)據(jù)的簡化

根據(jù)載荷的分布情況,載荷分為集中載荷和分布載荷,橫梁的各個部分均受重力的作用,所以將梁的自重簡化為梁長度方向分布的均布載荷,橫梁附件及風(fēng)壓分布類似簡化;因為屏蔽門中應(yīng)急門、活動門和固定門是部分或全部通過吊件懸掛于梁上的部分位置,而這些位置的在橫梁上的長度相對于橫梁自身長度而言基本小于其比值的1/10,所以其自重簡化為各相對位置的集中載荷,吊件自重類似處理。而人擠壓的沖擊載荷和地震力按常規(guī)方法被看作為動載荷,具體數(shù)值見表1。

表1 橫梁外載數(shù)據(jù)

2.2.2 約束形式簡化

根據(jù)設(shè)計圖紙和橫梁實際工作需要分析可得,橫梁一端可以有些許軸向位移,而另一端可以繞支座小范圍偏轉(zhuǎn),在力學(xué)模型的建立過程中拋去干擾因素可將橫梁一端簡化固定鉸支座,而另一端簡化為成滾動支座。

在實際工作過程中,橫梁的受力基本可歸為橫梁自身、橫梁附件和門自身得重力、擠壓力和地震力。在實例分析的第一階段不考慮動載荷的作用,則相關(guān)受力基本上都與梁的軸線垂直,梁的變形可以確定以彎曲變形為主。于是,根據(jù)材料力學(xué)梁簡圖可用梁軸線表示的原則,得橫梁的力學(xué)模型如圖2所示。其中在軟件ANSYS加載處理中,固定鉸支座固定鉸支用x,y兩方向上的位移約束為0表示,滾動支座用y方向上位移約束為0表示。

圖2 橫梁力學(xué)模型

2.3 強度、剛度校核

強度方面依據(jù)FEM手冊上查得安全系數(shù)n=1.7,則許用應(yīng)力[σ]=138 M Pa,剛度方面地鐵車站要求門體無破壞,橫梁最大彈性變形不超過10 mm。

2.3.1 剪力圖與彎矩圖的繪制

ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用商用有限元分析軟件。有限元分析方法是利用網(wǎng)格離散化將一個連續(xù)區(qū)域轉(zhuǎn)化為一族離散的子區(qū)域。在這種方法中這些獨立的點的數(shù)量是有限的,因此被稱為有限元。由實際的物理模型中推導(dǎo)出來得平衡方程式被使用到每個點上,由此產(chǎn)生了一個方程組。這個方程組可以用線性代數(shù)的方法來求解。實例選用的是梁單元BEAM 3,整個梁共分35個單元,36個節(jié)點。

依據(jù)材料力學(xué)的解題步驟,在建立力學(xué)模型后應(yīng)畫出對應(yīng)于力學(xué)模型的內(nèi)力圖,即剪力圖與彎矩圖。在軟件ANSYS的后處理過程中,對于梁單元,內(nèi)力和應(yīng)力都不是單元的基本輸出結(jié)果,如需要這些結(jié)果,則必須通過單元表的定義后,從單元表中提取結(jié)果,單元表的定義參照文獻[7]。圖3和圖4為用ANSYS軟件所繪橫梁在豎直受力情況下的剪力圖與彎矩圖,此剪力圖和手繪圖稍有出入,是由于網(wǎng)格劃分的單元數(shù)限制。

圖3 橫梁剪力圖

圖4 橫梁彎矩圖

2.3.2 強度、剛度分析

由后處理器得,橫梁有限元分析結(jié)果如下,其中,DM X為撓度最大值,發(fā)生在梁中間部位,單位m。橫梁沿豎直方向位移見圖5。類似分析得水平方向位移見圖6。

圖5 豎直方向上的橫梁變形

圖6 水平方向上的橫梁水平方向變形

從ANSYS后處理結(jié)果讀取可得,此種情況下橫梁上最大正應(yīng)力為38.3 M Pa,小于材料的許用應(yīng)力,則此時橫梁強度滿足工作要求。然而橫梁沿豎直方向的最大位移為7.367 mm,沿水平方向的最大位移為8.899 mm,再考慮到門體自身的變形,按地鐵車站要求系統(tǒng)最大彈性變形不超過10 mm,該橫梁不能滿足屏蔽門的剛度要求。

3 結(jié)語

以上的實例分析從具體工程實際到力學(xué)模型的簡化,然后聯(lián)系材料力學(xué)中的應(yīng)力、變形、強度、剛度等概念,利用ANSYS直觀形象的圖形將抽象的數(shù)據(jù)變換為形象生動的圖形,有助于減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)難度,提高學(xué)生的分析思維能力,從而增強學(xué)生對結(jié)構(gòu)的感性認識,并且在一定程度上彌補了學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件缺乏足夠了解,對桿件受到的約束、荷載以及簡化過程沒有感性認識的缺陷。同時,具體實例的分析可以使學(xué)生熟悉工程背景,增強學(xué)生的工程觀念,為工程結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。這種教學(xué)方式亦可使學(xué)生擴大眼界、拓寬知識面,初步了解有限元這一現(xiàn)代計算方法。通過ANSYS軟件強大的建模功能和直觀形象的圖形顯示,教師在教學(xué)過程中也可生動展示實際構(gòu)件的受力與約束情況以及建模過程,同時可形象地演示桿件變形的過程,將原來枯燥、乏味的力學(xué)概念和理論轉(zhuǎn)化為圖文并茂、生動形象的畫面,可以啟發(fā)學(xué)生的形象思維,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效率,增強教學(xué)效果,從而提高教學(xué)質(zhì)量。

[1] 趙連華.基于VB和 ANSYS的《材料力學(xué)仿真實驗》系統(tǒng) [J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2007(1):23-25.

[2] 王先,梁偉.基于ANSYS的多跨靜定梁平面彎曲內(nèi)力分析方法 [J].桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報,2008(2):5-12.

[3] 楊莉華,孫東明.基于ANSYS的直桿拉伸變形輔助分析[J].機械工程與自動化,2007(5):175-176.

[4] 李麗君,沈玉鳳.ANSYS對于壓桿穩(wěn)定的輔助教學(xué)[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2008(1):121-125.

[5] 王宏偉,王永廉,馬濤.全封閉屏蔽門網(wǎng)哇架橫梁的剛度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].鋼結(jié)構(gòu),2008(11):33-34.

[6] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設(shè)計及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004(4):75-77.

[7] 王呼佳,陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京:中國水利水電出版社,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

王宏偉(1976— ),女,河南信陽人,南京工程學(xué)院材料學(xué)院講師,碩士。王永廉(1955— ),男,江蘇淮陰人,南京工程學(xué)院材料學(xué)院教授。

(責(zé)任編輯:陳錦華)