某支吊架构件三点弯曲模拟分析报告！
本例为某支吊架杆件的三点弯曲仿真分析案例，分享给大家参考~
1 杆件尺寸及材料参数
杆件采用Q235B钢材(密度ρ=7850kg/m3,屈服强度fy=235MPa，弹性模量E=210GPa，剪切变形模量73GPa)，支座间距250mm，截面尺寸详见图示。
2 材料及模型
本次模拟计算采用ANSYS软件LS-DYNA显示动力学模块。ANSYS是目前国际上常用的分析软件之一，能够应用于土木、机械、船舶、电气、航空航天等领域，能够进行静态分析、瞬态分析、弹塑性分析、模态分析、声学分析、热传导分析、碰撞分析、流固耦合分析等多种分析。
2.1 模型创建
利用ANSYS中的spaceclaim进行模型的创建。此次分析中，杆件的截面高度H=50mm，壁厚t=2mm，因为(5～8)＜H/t=25＜(80～100)，因此认为杆件为薄壁杆件，拟采用壳单元进行模拟。在spaceclaim中建立实体模型后，通过抽取中间面形成壳单元所需的面体，如下图所示。
支座间距250mm构件抽中面模型
2.2 材料本构模型
模型的钢材采用双线性等效强化模型：在钢材进入塑性阶段时，钢材的应力-应变图像为一条直线，即斜率为常数，取屈服后的弹性模量（切线模量）为切线为初始弹性模量的0.01，如下图所示。
图2.2 钢材双线性模型
杆件采用Q235B钢材：密度ρ=7850kg/m3,屈服强度fy=235MPa，弹性模量E=210GPa，泊松比0.3，切线模量取为初始弹性模量的0.01，即为2100MPa。ANSYS中材料参数输入如下图所示。
2.3 单元选取和网格划分
在ANSYS中，单元选取和网格划分对求解的收敛和结果的准确性至关重要。ANSYS中，壳单元有Shell181和Shell182单元，其中 Shell181采用线性多项式作为形函数，Shell182采用二次多项式作为形函数。本次模拟中试件在进行单元网格划分时，为减小计算成本，采用Shell181单元。同时，保证模型准确和使模型能够收敛，网格划分为较为细密，采用2mm的网格。构件的网格划分见图2.3。
Aspect Ratio:长宽比，最佳为 1，即正方形和正三角形。1~5较好，结构分析必须小于20。长宽比最大3.02左右，长宽比网格质量较好，可满足结构分析要求。
Jacobian Ratio: 此次网格划分雅可比大部分在1左右，单元的最大雅可比4.87，结构分析必须小于40。网格划分雅可比满足结构分析要求。
2.4 接触设置
为了提取接触力，设置摩擦接触，摩擦系数0.2。
接触算法改为法向拉格朗日，避免接触的穿透影响。
其他几个部件设置为自动单面接触。
2.5 约束和荷载施加
构件的两端支撑在钢滚轴上，滚轴设置为刚体，设置如下图所示。
固定滚轴：
施加位移荷载，位移荷载设置为30mm, 并限制刚体转动（避免负的接触能）：
添加重力荷载：
2.6 单元沙漏控制
设置单元厚度积分点数量，控制沙漏：
3 LS-dyna结果分析
变形和应力结果如下（接触部位存在局部应力集中）：
总变形（mm）
米塞斯等效应力(mm)
最大接触力提取：
4 结果讨论
4.1 削弱截面的结果分析
下图为厂家给出的杆件截面参数。
1）按材料屈服强度计算：
msteel净截面参数计算如下：
比较msteel净截面计算结果和厂家给出的截面参数结果，理论计算截面（净截面模量和厂家给出截面模量）所能承受的最大弯矩为：
M=f*W=235×2.28×1000=535800(N·mm)
M=f*W=235×2.798×1000=657530(N·mm)
支座间距250mm的简支梁在跨中集中荷载作用下，截面内产生的弯矩为M=0.25*F*L=0.25×F×250。因此，简支梁跨中能承受的集中力为（净截面模量和厂家给出截面模量计算，理论值）：
按净截面模量计算结果：
F=535800/0.25/250=8.57（kN）
按厂家给出截面模量计算结果：
F=657530/0.25/250=10.52（kN）
2）按容许拉应力强度计算：
跨中能承受的集中力为：
F=175.3×2.798×1000/0.25/250=7.848（kN）
容许弯矩为：
M=0.25*F*L=0.25×7848×250=490.5（N·m）
与给出的容许弯矩490.49 N·m一致。
3）开孔构件仿真计算：
ls-dyna仿真计算结果中，削弱截面的仿真计算最大接触力约为7.446kN，与通过容许拉应力计算的结果相近，偏差5%。
可以看出，ls-dyna仿真计算结果（7.446kN）与按厂家给出截面模量计算的结果（10.52 kN）相差30%；按净截面模量计算的结果（8.57 kN）相差13%；这表面截面削弱，对抗弯强度影响较大，采用净截面模量结果依然偏不安全。
由于截面开孔过多，导致截面削弱，构件刚度衰减，导致计算结果较小。因此采用反算方法，通过许用应力限制截面抗弯承载力。
本案例，按净截面模量计算，可得到反算的许用应力：σ=M/W=(0.25×7446×250)/2280=204MPa.与标准给出的杆件的强度设计值相差不大。
本案例，按厂家给出截面模量计算，可得到反算的许用应力σ=M/W=(0.25×7848×250)/2798=175.3MPa.与厂家给出的杆件的强度许用值相差不大。
4.2 未削弱截面的理论结果
1）按材料屈服强度计算：
msteel毛截面参数计算如下：
理论计算截面（毛截面模量）所能承受的最大弯矩为：
M=f*W=235×3.12×1000=733200(N·mm)
支座间距250mm的简支梁在跨中集中荷载作用下，截面内产生的弯矩为M=0.25*F*L=0.25×F×250。因此，简支梁跨中能承受的集中力为（毛截面模量下理论值）：F=733200/0.25/250=11.73（kN）.
2）未开孔构件仿真计算：
ls-dyna仿真计算结果中，削弱截面的仿真计算最大接触力约为12.214kN，与毛截面下理论计算结果相近，偏差3.96%。可以看出，ls-dyna仿真计算结果与毛截面下理论计算结果误差较小，表明通过仿真计算可行。
4.3 结论
从以上结果可知，截面削弱过多，即使采用净截面模量计算抗弯荷载值，也偏不安全。因此，需限制构件的容许拉应力强度，容许拉应力强度可通过有限元仿真结果按理论公式反推求取。
