iSolver案例分析理想弹塑性简支梁三焦点弯曲

引言

三点弯曲试验,广泛用于材料性能测试、构件性能试验。而对于三点弯曲试验的数值模拟,也被常用于测试数值算法。对于有限元算法,三点弯曲试验可以用来测试本构方程单元形函数。

以下,分别使用广泛商用的Abaqus和iSolver软件做三点弯曲的数值模拟,以测试iSolver的计算精度。


1)模型尺寸

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模型概况


模型由一条矩形截面弹塑性梁与三块弹性垫板组成。

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图中长度单位为mm。梁的长度为200mm,弹性垫板的高度为5mm。垫板中心距离(即梁跨径)为185mm,则梁的跨高比为185mm/30mm=6.17>5。


2)材料及单元属性

弹塑性梁:采用理想弹塑性本构模型。采用工程中常见的Q235钢材材料属性。

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【iSolver案例分享】理想弹塑性简支梁三点弯曲的图5【iSolver案例分享】理想弹塑性简支梁三点弯曲的图6

弹性垫板:线弹性本构,除了不设置Plastic属性外与梁的材料相同。设置弹性垫板的目的是为了方便施加边界条件,而且避免应力奇异引起的收敛问题。

本次计算中所有单元使用C3D8R单元。



3)边界条件

在梁底弹性垫块下施加简支梁边界条件,具体为左侧约束垫板中心节点x、y、z三个方向平动自由度,右侧约束垫板中心节点x、y、z三个方向平动自由度。

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【iSolver案例分享】理想弹塑性简支梁三点弯曲的图8

梁底仰视图(支座约束)

为了便于计算收敛采用位移加载模式,加载在顶部加载板的中心位置,加载值为-2.0mm,方向为y轴负向。

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梁顶俯视图(加载点)



4)荷载步


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除此以外,要在history output中设置输出加载点的反力和梁跨中中点节点的位移,方便后期绘制荷载位移曲线。


5)计算结果

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Y向位移(左:iSolver,右:Abaqus6.14-4)

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Mises等效应力(左:iSolver,右:Abaqus6.14-4)

从位移和应力的等值线对比可以看出,两个求解器求解结果,高度一致。可以认为,iSolver求解器在该问题上面与商业求解器Abaqus有相同水平的求解精度。

【iSolver案例分享】理想弹塑性简支梁三点弯曲的图16

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荷载-位移曲线

工程中,常常通过构件的荷载位移曲线来评估结构的刚度状况,具有重大意义。对于本问题,曲线开始为斜直线,直线的斜率即梁的弹性刚度;随着荷载的增加,梁的边缘进入塑性状态,由于截面刚度下降,斜直线开始弯曲;之后全截面进入塑性状态,截面出现所谓的“塑性铰”,截面刚度降为0,曲线变成水平直线。

从荷载-位移曲线图中,可以看到计算结果与工程经验完全一致。iSolver求解器结果与Abaqus结果几乎重合,对于本问题有较高的可信度。

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