案例道路工程问题的计算机仿真.docx
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案例道路工程问题的计算机仿真.docx
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案例道路工程问题的计算机仿真
题号
回答内容
得分
第一题:
平面断裂分析(二维断裂问题应力强度因子计算)
1、问题描述
构件长200mm,高50mm,厚度5mm,距下端中心线左20mm处有一长15mm竖向垂直裂缝,弹性模量2000MP,泊松比0.3,上端中心受竖向向下集中荷载大小为F=1000N,简化为平面应力/应变问题,计算应力强度因子。
2、ANSYS主要计算过程
1、定义单元类型
本题简化为平面应力问题,非对称,选用六节点三角形单元PLANE183模拟加载过程,选择Planestrsw/thk,在realconstantsetnumber1,forPLANE183,THK取5。
图1PreferencesforCUIFiltering
图2Elementtypes
定义材料性能和参数:
mainmenu|preprocessor|materialprops|materialmodels-definematerialbehavior
Ex=2000,prxy=0.3
图3定义材料参数
2、创立几何模型、划分网格
(1)创建关键节点KEYPOINT1(100,0),2(100,50),3(0,50),4(-50,50),5(-100,0),6(-20,0),7(-20,15),8(-20,0)。
关键节点6,8重合,但是必须定义为两个点。
(2)通过关键节点创造面:
面1由关键点34567组成,面2由关键点12378组成。
图4关键节点
图5创建面
图6网格划分
对7号节点选择为尖端,设置如下:
图7KSCON命令
图8划分网格
通过PlotCtrls--HardCopy--TOFILE将网格划分后的结果存为JPG格式。
3、加载求解
本题加载考虑比较简单,简支梁,关键节点5处xy约束,关键节点1y方向约束,节点3处受竖直向下集中力大小为1000N。
图9荷载和约束
利用KCALC计算应力强度因子时x轴必须平行于断纹面,y轴垂直于断纹面,坐标系必须为激活的模型坐标系和结果坐标系。
求解的时候自定义局部坐标系11:
local,11,0,0,0,0,90(将整体坐标系绕z轴旋转90°)得到新的坐标系11,将工作坐标系改到11,csys,11rsys,11,模型坐标系和节点坐标系均为11。
图10局部坐标系下的模型
选择MainMenu|Solution|SolveCurrentLS,单击OK,ANSYS开始求解计算。
4、查看求解结果
(1)等效应力等值线图
MainMenu|GeneralPlotResults|ContourPlot|NodalSolu,在ContourNodalSolutionData对话框ItemtobeContoured列表框中选择NodalSolution|stress|vonMisesstress,单击OK。
图11等效应力等值线图
(2)应力强度因子
图12、13节点编号
图14PATH
图15KCSYMModeltype选择全裂纹
定义裂纹面路径:
MainMenu|GeneralPostproc|PathOperations|DefinePath|byNodes,拾取路径上的点,其中裂纹尖端为第一点,整个裂纹面四个附加点,两个点沿一个裂纹面,另两个点沿另一个裂纹面。
所选点x坐标应相同,即x轴和裂纹面平行。
最终计算结果:
***CALCULATEMIXED-MODESTRESSINTENSITYFACTORS****
ASSUMEPLANESTRESSCONDITIONS
ASSUMEAFULL-CRACKMODEL(USE5NODES)
EXTRAPOLATIONPATHISDEFINEDBYNODES:
158165162164161
WITHNODE158ASTHECRACK-TIPNODE
USEMATERIALPROPERTIESFORMATERIALNUMBER1
EX=2000.0NUXY=0.30000ATTEMP=0.0000
****KI=0.62191,KII=0.28328,KIII=0.0000****
三、个人做题小结
通过这个例子我对ANSYS软件使用有了一定的认识,从最开始的畏惧,一点一点摸索,终于形成这份成果,虽然模型很粗糙,设定也简化了不少,将梁简化为类似平板,但对我而言,仍是巨大的进步。
本题我觉得主要有两点需注意:
1、裂纹面的产生。
给的例题是对称的,裂纹面直接切开,本题非对称,裂纹面我尝试过划线分割的方法,走了不少弯路,后来发现可以直接用关键节点定义面来完成。
2、计算应力强度因子:
关键是裂纹面和x轴平行。
最开始我忘了设局部坐标,裂纹面和y轴平行,后来设了局部坐标,还是不对,发现是我在选择路径时直接填写的点的编号,结果一个位置对应好几个点,路径总选不对,其实直接在界面上拾取即可。
ANSYS是非常重要的研究工具,与后续学习和研究密不可分,目前因为时间太紧,学习太浅了,在研究生期间还是需要通过不断的练习来熟悉ANSYS软件。
第二题路面问题(动荷载)
1、问题描述
某一公路路面长宽高分别为10m,6m,0,6m。
路面为弹性两层体系,分为面层和基层,厚度分别为0.2m,0.4m,另设土基厚度分别为2m,运用ANSYS瞬态动力分析,计算路面结构在动载作用下的应力。
表一:
材料参数表
结构层
厚度(m)
弹性模量(N/㎡)
泊松比
密度(kg/m³)
面层
0.2
1×109
0.35
2000
基层
0.4
1.2×109
0.35
2613
土基
3×107
路面假设为弹性两层体系,即面层和基层,且水平方向和垂直方向上为无限,假设路面下的土基是弹性的。
2、求解过程
1、建模
①SOLID45单元构造三维实体结构,COMBIN14单元为接触,PLANE42单元建立二维实体结构模型,SURF154单元用于面荷载的增加。
轮胎胎压0.7MPa,承受荷载重4t,双轮作用,根据轮胎与地面接触印记,当量轮胎接地面积为0.056㎡,矩形单元的边长分别为0.07m和0.05m。
图16单元定义
②由关键点建立线和面,创建平面图,关键点坐标分别为(0.14,0),(0.14,0.6),(-0.14,0)
(-0.14,0,6),定义矩形左右x坐标,上下y坐标分别为(0.14,3,0,0.6),(-0.14,-3,0,0.6)
图17创建的平面图
③单元网格划分
对平面单元网格划分坐标增量延伸生成面。
图18基本单元的划分
通过lesize为线指定网格尺寸
Extopt,esize,val1,val2沿体的边线指定单元层数量
坐标增量延伸生成面:
VEXT,面1的编NA1,面2的编号NA2,增量NINC,x方向增量DX,y方向增量DY,z方向增量DZ,RX,RY,RZ(角度)
图19延伸后的面层基层模型图
④创建弹簧
利用循环语句在路面节点上建立弹簧COMBIN14,对基层底层的节点进行复制,把节点复制到y=-2m处。
分11次完成。
图20、21、22弹性地基
节点复制
ngen,itime,inc,node1,node2,ninc,dx,dy,dz,space
分别对应为:
节点复制,复制次数(包含节点本身),每次复制节点时节点号码增加量,选择复制的节点的xyz坐标,复制时xyz坐标值改变量,间距比(最后一个尺寸和第一个尺寸的比值)
2、加载和求解
底层弹簧全约束,x、z轴方向只约束本身方向的位移
图23、24、25瞬态荷载的加载
3、后处理
①通用后处理
得到竖直方向位移图,最大位移量为0.176mm。
图26竖直方向位移图
②竖直位移时间历程曲线
选取的节点坐标如下:
图27选取的节点
利用与时间相关的后处理器post26,瞬态分析中应用较多。
图28竖直位移时间历程曲线
从图上可以看出:
面层上部位移最大,随深度增加呈减小趋势。
车在起点或终点时位移接近于零。
这间接说明了动荷载对路面的影响范围。
3、个人小结
瞬态动载分析是道路路面分析的基本问题,通过本题的练习,我主要学到的知识有:
1、灵活的单元选择,尽可能与实际接近,在本题中COMBIN14单元具有一维、二维及三维中的轴向或扭转的性能,用来模拟弹性地基,比用实体单元更符合实际。
2、几何模型与单元格划分密切结合,建号单元,划分网格后通过拉伸截面extopt,vext体扫掠、延伸划分网络。
比普通的先建模型再划分网格逻辑性更强,效率更高。
3、利用循环语句在三维实体路面节点上建立弹簧。
4、瞬态荷载的加载、与时间相关后处理器post26的应用。
5、参数化设计语言(APDL)的应用。
作为初学者我习惯于GUI操作求解,但有些命令参数也多,理解和记忆不易,利用APDL语言能避免大量重复性的工作,只需少许修改,提高工作效率。
四、命令流
FINISH$/CLEAR$/CONFIG,NRES,2000!
设置子步结果限值
/prep7
!
/nerr,nmerr,nmabt!
关闭警告信息
et,1,plane42
et,2,solid45
et,3,combin14
et,4,surf154
!
一号材料
mp,ex,1,1.2e9
MP,PRXY,1,0.35
mp,dens,1,2613
!
二号材料
mp,ex,2,1e9
MP,PRXY,2,0.35
mp,dens,2,2000
!
创建模型
k,1,-0.14,0
k,2,0.14,0
k,3,0.14,0.6
k,4,-0.14,0.6
l,1,2
l,2,3
l,3,4
l,4,1
al,1,2,3,4
rectng,0.14,3,0,0.6
rectng,-0.14,-3,0,0.6
aplot
nummrg,all
numcmp,all
aplot
!
划分1面
lsel,s,,,1,3,2
lesize,all,,,4
lsel,s,,,2,4,2
lesize,all,,,6
amesh,1
eplot
!
划分2面
lsel,s,,,6
lesize,all,,,6
lsel,s,,,5
lesize,5,,,8,4
lsel,s,,,7
lesize,7,,,8,0.25
amesh,2
eplot
!
划分3面
lsel,s,,,8
lesize,8,,,8,0.25
lsel,s,,,9
lesize,9,,,8,4
lsel,s,,,10
lesize,all,,,6
amesh,3
eplot
!
拉伸截面
extopt,esize,200,0
type,2
mat,1
vext,1,3,1,,,10
/view,1,1,1,1
vplot
eplot
!
改变材料属性
esel,s,mat,,1
nsle,s
nplot
nsel,r,loc,y,0.401,0.6
nsel,r,loc,x,-3,3
nplot
esln,s
mpchg,2,all
/replot
allsel
eplot
allsel!
合并压缩编号
nummrg,all
numcmp,all
/pnum,mat,1!
分不同的颜色显示各层
eplot
!
建立弹簧模型,1
allsel
csys,0
ngen,2,500000,1,5,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,1,5,1
e,i,500000+i
*enddo
gplot
!
2
allsel
csys,0
ngen,2,500006,36,43,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,36,43,1
e,i,500006+i
*enddo
gplot
!
3
allsel
csys,0
ngen,2,500014,92,99,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,92,99,1
e,i,500014+i
*enddo
gplot
!
4
allsel
csys,0
ngen,2,500021,148,152,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,148,152,1
e,i,500021+i
*enddo
gplot
!
5
allsel
csys,0
ngen,2,500026,183,580,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,183,580,1
e,i,500026+i
*enddo
gplot
!
6
allsel
csys,0
ngen,2,500435,979,1575,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,979,1575,1
e,i,500435+i
*enddo
gplot
!
7
allsel
csys,0
ngen,2,501433,7148,7155,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,7148,7155,1
e,i,501433+i
*enddo
gplot
!
8
allsel
csys,0
ngen,2,501442,7204,7402,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,7204,7402,1
e,i,501442+i
*enddo
gplot
!
9
allsel
csys,0
ngen,2,501542,7602,8994,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,7602,8994,1
e,i,501542+i
*enddo
gplot
!
10
allsel
csys,0
ngen,2,503236,18348,18355,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,18348,18355,1
e,i,503236+i
*enddo
gplot
!
11
allsel
csys,0
ngen,2,503245,18404,18602,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,18404,18602,1
e,i,503245+i
*enddo
gplot
!
12
allsel
csys,0
ngen,2,503600,18802,20194,1,,-2
type,3
r,3,3e7,1e5,
real,3
*do,i,18802,20194,1
e,i,503600+i
*enddo
gplot
/solu
csys,0
dsys,0
nsel,s,loc,x,-3!
施加边界条件
nsel,a,loc,x,3
nplot
d,all,ux
allsel
nsel,s,loc,z,10!
施加边界条件
nsel,a,loc,z,0
nplot
d,all,UZ
allsel
nsel,s,loc,y,-2!
施加边界条件
nplot
d,all,all
allsel
gplot
alphad,2.6907!
质量阻尼系数
betad,0.0009!
刚度阻尼系数
anty,trans!
选取瞬态动力学分析
trnopt,full!
选取完全法
eqslviterative!
选择自动迭代求解器
allsel,all
*do,ii,1,20,1!
定义计算运行几步
outres,all,none
outres,strs,,mycare
outres,epel,,mycare
outres,nsol
outres,a
outres,v
time,ii*0.1/25
auto,on
sfedele,all,all,all
nsel,s,loc,x,-0.14-0.005,0.14+0.005
nsel,r,loc,y,0.6
nsel,r,loc,z,(90+ii-1)*0.05+0.005,(92+ii+1)*0.05-0.005
esln,s!
选择与这些单元相关的节点
/psf,pres,norm,2,0,1!
设置荷载显示方式为箭头
sfe,all,4,pres,,700000!
0.7MPa
ALLSEL
SOLVE
*ENDDO
/post26
numvar,100
nsol,2,5257,u,y
nsol,3,5456,u,y
nsol,4,5655,u,y
nsol,5,5854,u,y
nsol,6,6053,u,y
nsol,7,2869,u,y
plvar,2,3,4,5,6,7
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