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带孔矩形薄板的应力分析

已有 733 次阅读 2026-9-14 10:25 |系统分类:科研笔记

带孔矩形薄板的应力分析

问题描述

某悬臂梁,q=2kN/m, L=2.6m, H=1m, d1=300mm 求孔边拉伸应力的分布,该分布在弹性力学教程上的解为,几个重要的数值如下表所示。请比较下COMSOL计算结果与弹性力学分析结果。

0

30

45

60

90

-q

0

q

2q

3q

 

1.物理场的选择因变量设置

打开COMSOL Multiphysics软件,在新建窗口中,点选“模型向导”,在“选择空间维度”窗口中选择“二维”,如图2-15所示。

图2-15 初始选择

然后在“选择物理场”中,通过“选择物理场”窗口的物理场列表,找到“结构力学”,并选择“结构力学”下的“固体力学”节点。单击“添加”。如图2-16所示。

       

图2-16选择物理场                 图2-17选择研究

2.设置求解器

单击“研究”,在“选择研究”窗口中,选择研究列表中的“一般研究”,选择“一般研究”下的“稳态”节点。单击“完成”。如图2-17所示。

3.参数设置

参数设置可手动输入或从文件加载。

在“模型开发器”窗口下的“全局定义”节点下,单击“参数1”,在“参数”的“设置”窗口中,定位到“参数栏”。在表中输入如表2-1所示的参数值。

表2-1 参数值

名称

表达式

值

描述

d1

300[mm]

0.3m

孔直径

L

2.6[m]

2.6 m

薄板长度

H

1[m]

1 m

薄板高度

此参数设置是方便后续的参数化建模,读者可以更改表中的表达式数值,以改变模型的几何尺寸,来进行自定义仿真分析。值得读者注意的是:参数设置不仅仅是几何参数,也可用于其他物理量

4.几何设置

单击“几何”工具栏,单击“矩形”,在“矩形”的设置窗口中,定位到“大小和形状栏”,在宽度文本框内输入“L”,在高度文本框内输入“W”;定位到“位置”栏,在文本框x内输入“-L/2”,在高度文本框内输入“-W/2”,单击“构建选定对象”。设置如图2-18-1所示,图形如图2-19-1所示。

图2-18-1 矩形设置

图2-19-1 矩形模型

单击“几何”工具栏,单击“圆”,在“圆”的设置窗口中,定位到“大小和形状栏”,在半径文本框内输入“d1/2”,单击“构建选定对象”。设置如图2-18-2所示,图形如图2-19-2所示。

图2-18-2 矩形设置

图2-19-2 圆模型

单击“几何”工具栏,单击“布尔操作与分割”中的“差集”,在“差集”的设置窗口中,定位到“要添加的对象”,在图形窗口选择矩形;定位到“要减去的对象”,在图形窗口选择圆;单击“构建选定对象”。设置如图2-18-3所示,图形如图2-19-3所示。

图2-18-3 差集设置

图2-19-3 带孔矩形板模型

 

5.材料定义

在“模型开发器”窗口中右键单击“材料”,选择“空材料”,在材料设置窗口中,定位到“材料属性明细”窗口,在密度文本框内输入“7850”,在杨氏模量文本框内输入“2.1e11”,在泊松比文本框内输入“0.3”,如图2-20所示。

图2-20 材料设置

7.物理场设置

(1)固定约束

在“物理场”工具栏中单击“边界”,选择“指定位移”,在“指定位移”设置窗口中,定位到“边界选择栏”,在图形窗口中选择边界1、7。定位到“指定位移”、“y方向位移”,选择“指定”,保持u0y为0,如图2-21所示。这是为了防止薄板产生整体位移。

图2-21固定约束设置

(2)边界载荷

在“物理场”工具栏中单击“边”,选择“边载荷”,在边界载荷的设置窗口中,定位到“边选择栏”,在图形窗口中选择边界4;定位到“力”栏,从“载荷类型”列表中选择“单位参考长度的力”,在x文本框内输入“2000”(这是在矩形板右边上加了均布载荷)。如图2-22-1所示。

 

图2-22-1边界载荷设置

在“物理场”工具栏中单击“边”,选择“边载荷”,在边界载荷的设置窗口中,定位到“边选择栏”,在图形窗口中选择边界4;定位到“力”栏,从“载荷类型”列表中选择“单位参考长度的力”,在x文本框内输入“-2000”(这是在矩形板左边上加了均布载荷)。如图2-22-2所示。

图2-22-2边界载荷设置

8.网格的剖分

在“网格”工具栏中单击“扫掠”,之后模型开发器中网格1下会出现大小和扫掠1两项,点击“大小”,在“大小”的设置窗口中,定位到“单元大小”栏,在“预定义”列表中选择“极细”;如图2-23所示。

图2-23大小设置

9.求解器设定

单击“模型开发器”窗口中的“研究”节点,在研究设置窗口中单击“计算”。

10.后处理

(1)应力图

默认绘图组为应力图,应力图如图2-25所示。

图2-25应力图

(2)应变图

在“主屏幕”工具栏中单击“添加绘图组”,选择“二维绘图组”,于二维绘图组的设置窗口中的“标签”文本框内输入“应变”;在“模型开发器”窗口中右键单击“应变”节点,选择“表面”,在面的设置窗口中,定位到“表达式栏”,在表达式文本框内输入“solid.ep1”,单击“绘制”。

图2-26 应变图

(3)孔边的应力变化图

在“主屏幕”工具栏中单击“添加绘图组”,选择“一维绘图组”,在一维绘图组的设置窗口中的“标签”文本框内输“孔边的应力变化图”;在“模型开发器”窗口窗口中右键单击“孔边的应力变化图”节点,选择“线结果图”,在线结果图的设置窗口中,定位到“选择”栏,在选择窗口中选择边界8;定位到“y轴数据”栏,单击,选择solid.misesGp,单击“绘制”,如图2-27所示。

图2-27-0 孔边选择

图2-27 孔边的应力变化图

采用弹性力学的孔边应力计算如下表所示。

0

30

45

60

90

-2000

0

2000

4000

6000

从上述COMSOL分析结果如下表所示。

0

30

45

60

90

2241.3

150.37

1676.2

3814.1

6015.1

从上面两个表格的结果看到,二者比较接近。



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