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。
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。
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。
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。
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。
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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