剪力和弯矩的正负规定详解:以梁铰接为例

一、问题描述

AC梁和CD梁通过铰接连接,其中长度a =1 m,梁的直径0.02 m,弹性模量E= 200 GPa,泊松比μ = 0.3。在B点受力偶距的作用,在C点受集中力的作用,F = 20N。利用ANSYS计算,练习梁与梁铰接的处理方法,并画剪力图和弯矩图,研究剪力图和弯矩图的正负规定。

新的图片1.jpg


图1 梁与梁铰接连接的力学分析



二、问题分析

铰链传力不传力偶矩,与铰相连的两横截面上,弯矩M = 0,剪力FS不一定为零。


用BEAM188梁单元建模。在A点约束UY、UZ、ROTX和ROTY,在D点全约束。


AC梁的A、B和C点的分别建立关键点1、2和3,1和2连线生成L1,2和3连线生成L2,L1和L2共用关键点2,几何体是连续的,划分网格后节点也是连续的;CD梁的C和D点的分别建立关键点分别4和5,4和5连续生成L3。由于L2和L3在C点不共用关键点,导致几何体是不连续的,AC梁和CD梁划分网格后,节点在C位置处会有2个节点,AC梁在C点的节点号为12,CD梁在C点的节点号为22。AC梁和CD梁在C点的节点分别是节点12和22,节点不共用,不能传递载荷。为了在C点能够传递传力而不传递力偶矩,可通过耦合这两个节点的平动自由度实现。


铰链连接两根梁的GUI操作路径:Main Menu>Preprocessor> Coupling / Ceqn> Couple DOFs。见图2,拾取节点12,再拾取节点22 →OK → NSET中输入1,Lab中选择UX;重复操作,再拾取12和22节点,NSET中输入2,Lab中选择UY;再重复操作,再拾取12和22节点,NSET中输入3,Lab中选择UZ。完成分别耦合三个方向的平动自由度的操作。

新的图片2.jpg

图2 梁与梁通过耦合自由度实现铰接连接



三、剪力图和弯矩图正负的规定

从图3可见,最大剪力30N,最大弯矩30N.m,与材料力学计算结果完全吻合。在C点是铰接点,弯矩图在此处弯矩为零,实现了梁与梁的铰接连接。

新的图片3.jpg

图3 梁的内力图(关键点连线顺序从左到右)


刘鸿文版《材料力学》、孙训方版《材料力学》,还有《结构力学》中都对梁的内力的正负有自己的一套规定。回顾一下刘鸿文版《材料力学》中弯曲内力正负的规定:左段对右段向上相对错动时,规定剪力为正;反之,为负。弯曲变形凸向下时,规定为正;反之,为负。


但是发现力学教材中剪力和弯矩正负的规定与ANSYS中正负的规定是不一样的,那么ANSYS是如何规定剪力和弯矩的正负的呢?例如图3中弯矩图的正负与刘鸿文版《材料力学》中规定一致,剪力图的正负与规定的正负相反,这是为什么呢?


先分析得到图3的建模过程,AC梁:1和2连线生成L1,2和3连线生成L2;CD梁:4和5连续生成L3。生成线1时,关键点的连线顺序是先拾取关键点1,再拾取关键点2;其他生成其他两条线的关键点连线顺序也是从左到右。


如果两个关键点的连线顺序都变成从右到左,在C点出需要耦合的节点变成12和23,将这两个节点耦合平动自由度,经过计算后,得到的剪力图和弯矩图如图4所示,剪力图的正负仍然保持不变,但是弯矩图的正负与图3相反。再细致观察发现,图3的剪力图都是画在+Y一侧,而图4中的剪力图都画在-Y一侧。初步分析发现,剪力图和弯矩图的正负似乎与连线的顺序有关。

新的图片4.jpg

图4 梁的内力图(关键点连线顺序从右到左)


在ANSYS分析中,从不同的视图看,哪是左段哪是右段?弯曲变形哪是凸哪是凹?因此是不能确定的。ANSYS的对内力正负的规定估计应该是以坐标系为基础,得到的以上两种内力图的结果在整体坐标系下是没有变的,坐标系可能发生改变的就是单元坐标系了。回顾一下,通过定义单元表,梁单元的内力是在单元坐标系下的结果,因此梁的内力正负规定应该就是与单元坐标系有关。



(1)关闭单元形状:Utility Menu >PlotCtrls >Style >Size and Shape →[/ESHAPE]:Off。

(2)打开单元坐标系和线的方向:见图5(2),Utility Menu>PlotCtrls>Symbols →ESYS:勾选On;LDIR:勾选ON;不显示边界条件符号,[/PBC]中选择None→OK。

新的图片5.jpg

图5 单元坐标系

单元坐标系的三个方向的坐标颜色与整体坐标系的颜色是相近的。经过观察发现,单元坐标系的X、Y和Z坐标的规定是:图5(3)和图5(4)中线的方向(关键点的连线顺序)为X方向,能与整体坐标系一致的尽量保持一致,比如单元坐标系的Z方向。单元坐标系同时满足右手系法则。


通过分析剪力图、弯矩图和单元坐标系的关系,可以总结出以下结论:

(1)内力也是采用截面法,选取单元坐标系离X轴较近的一段为研究对象,外力和内力(剪力和弯矩)保持平衡。 (2)剪力无论是正还是负,均画在+Y侧。如果剪力方向与单元坐标系的+Y方向一致,剪力为正;反之,为负。 (3)弯矩的正负:绕坐标轴旋转的方向一致,弯矩为正;反之,为负。


四、命令流

!模型1:关键点的连线顺序,从左到右

/PREP7

ET,1,BEAM188

KEYOPT,1,3,2

KEYOPT,1,4,2

MP,EX,1,2.1e11     !弹性模量

MP,PRXY,1,0.3      !泊松比

SECTYPE,   1, BEAM, CSOLID, , 0

SECOFFSET, CENT

SECDATA,0.01,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0  

K,1,0,0,0,       ! AC梁的A、B和C

K,2,1,0,0,  

K,3,2,0,0,  

K,4,2,0,0,        ! CD梁的C和D点

K,5,3,0,0,  

LSTR,1,2        ! AC梁

LSTR,2,3  

LSTR,4,5         ! CD梁

ESIZE,0,10,     !单元份数

LMESH,all       !网格划分

/VIEW,1,1,1,1  

LPLOT

DK,1, , , ,0,UY,UZ,ROTX,ROTY

DK,5, , , ,0,ALL

FK,2,MZ,-20      ! B点力偶距

FK,3,FY,-20         !C点集中力

!分别耦合三个方向的平动自由度

CP,1,UX,12,22       !耦合UX

CP,2,UY,12,22      !耦合UY

CP,3,UZ,12,22       !耦合UZ

FINISH

/SOL

SOLVE

FINISH  

/POST1

PLNSOL, U,Y, 0,1.0          !挠度

PLNSOL, ROT,Z, 0,1.0       !转角

ETABLE,SFY_I,SMISC,6     !剪力单元表

ETABLE,SFY_J,SMISC,19

PLLS,SFY_I,SFY_J,1,0       !剪力图

ETABLE,MZ_I,SMISC,3      !弯矩单元表

ETABLE,MZ_J,SMISC,16

PLLS,MZ_I,MZ_J,1,0         !弯矩图


!模型2:关键点的连线顺序,从右到左

/PREP7

ET,1,BEAM188

KEYOPT,1,3,2

KEYOPT,1,4,2

MP,EX,1,2.1e11    !弹性模量

MP,PRXY,1,0.3    !泊松比

SECTYPE,   1, BEAM, CSOLID, , 0

SECOFFSET, CENT

SECDATA,0.01,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0  

K,1,0,0,0,    ! AC梁的A、B和C

K,2,1,0,0,  

K,3,2,0,0,  

K,4,2,0,0,     ! CD梁的C和D点

K,5,3,0,0,  

LSTR,2,1     ! AC梁

LSTR,3,2  

LSTR,5,4     ! CD梁

ESIZE,0,10,   !单元份数

LMESH,all    !网格划分

/VIEW,1,1,1,1  

LPLOT

DK,1, , , ,0,UY,UZ,ROTX,ROTY

DK,5, , , ,0,ALL

FK,2,MZ,-20   ! B点力偶距

FK,3,FY,-20    !C点集中力

!分别耦合三个方向的平动自由度

CP,1,UX,12,23    !耦合UX

CP,2,UY,12,23    !耦合UY

CP,3,UZ,12,23    !耦合UZ

FINISH

/SOL

SOLVE

FINISH  

/POST1

PLNSOL, U,Y, 0,1.0          !挠度

PLNSOL, ROT,Z, 0,1.0       !转角

ETABLE,SFY_I,SMISC,6     !剪力单元表

ETABLE,SFY_J,SMISC,19

PLLS,SFY_I,SFY_J,1,0       !剪力图

ETABLE,MZ_I,SMISC,3      !弯矩单元表

ETABLE,MZ_J,SMISC,16

PLLS,MZ_I,MZ_J,1,0         !弯矩图

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