算例分享：带圆孔平板的应力分析

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了一个Workbench环境中的平面应力计算例题，通过ANSYS Mechanical分析薄板上的应力分布情况。文章详细描述了建模计算过程，包括创建项目文件、建立结构静力分析系统、创建薄板几何模型、Engineering Data设置、前处理、加载以及求解、结果查看等环节。在分析过程中，将分析类型设为2D，并调用Workbench的General Materials材料库添加铝合金材料Aluminum Alloy。最后，通过施加均布荷载并求解，得到薄板中的Normal Stress应力分布情况，并与理论解答作比较，结果表明计算结果正确无误。

本节介绍一个Workbench环境中的平面应力计算例题，并与理论解答作比较。

1.问题描述

如图1所示为带有中心圆孔的方形铝合金薄板，长宽均为1.0m，薄板厚度为0.015m, 在其左右两侧面承受均布受拉载荷0.50MPa，通过ANSYS Mechanical分析薄板上的应力分布情况。

图1 薄板示意图

2.建模计算过程

建模计算的过程包含创建项目文件、建立结构静力分析系统、创建薄板几何模型、Engineering Data设置、前处理、加载以及求解、结果查看等环节。

在Workbench左侧工具箱的分析系统中选择Static Structural（ANSYS），用鼠标左键将其拖拽至A2（Geometry）单元格中，形成静力分析系统B，该系统的几何模型来源于几何组件A，如图2所示。

图2建立静力分析系统

用鼠标选择A2单元格（Geometry），在右键菜单中选择Properties，或通过勾选View菜单的Properties选项，在Project Schematic的右侧出现Properties of Schematic A2:Geometry属性栏。在Geometry属性栏的Advanced Geometry Option选项中，将Analysis Type（分析类型）设为2D（缺省为3D），如图3所示。

图3 修改分析类型

在DM中创建几何模型如图4所示。

图4 形成的薄板面体模型

在Workbench的Project Schematic窗口中，双击B2（Engineering Data）组件，进入Engineering Data界面。调用Workbench的General Materials材料库，添加铝合金材料Aluminum Alloy。

上述设置完成后，点工具栏上的“Return to Project”按钮，返回Workbench的Project Schematic窗口。

在Workbench的Project Schematic中双击B4（Modal）单元格，启动Mechanical组件。在Mechanical的Project树中，选择Geometry分支，在界面左下方的“Details of Geometry”中进行属性设置。其中，2D Behavior中选择Plane Stress，如图5所示。

图5 修改分析类型

单击Geometry下的Surface Body，在下方的详细列表中输入薄板厚度为15mm。在详细列表中Material 下的Assignment分支中将薄板的默认材料属性修改为Aluminum Alloy(铝合金)。选择Mesh分支，在其右键菜单中选择Insert>Mapped Face Meshing加入面体的映射网格划分选项，在Mesh分支的右键菜单中选择Insert>Sizing，在其Details中的Element Size设置网格尺寸为5mm。随后在Mesh分支的右键菜单中选择Generate Mesh进行整体网格划分。划分完成后的网格如图6所示。

图6 网格划分后的模型

按照如下步骤施加均布荷载并求解。

第1步：施加均布载荷。

a.选择Static Structural分支，在其右键菜单中选择>Insert>Pressure，加入一个Pressure荷载分支。

b.选择施加荷载的边。选择工具栏的边选择模式，旋转模型,左键选择薄板对称的两个边，最后点击详细列表下的Apply按钮。

c.在Magnitude中将载荷值大小设为-0.5Mpa，注意负号表示拉应力。

第2步：插入需要查看的结果项目

选择Project树的Solution(B6)分支，在其右键快捷菜单中选择Insert>Stress> Normal，在插入的Normal Stress分支的Details选项中，设置其Orientation为X Axis，Coordinate System为Global Coordinate System。

第3步：求解

单击Mechanical工具栏的Solve按钮，程序开始计算，计算完成后Solution分支下的各二级分支左侧的状态图标均为绿色的√。

选择Solution下的Normal Stress分支，显示模型中X方向的正应力分布如图7所示。圆孔边缘的最大正应力为1.46MPa，约为平均正应力的3倍，这与单向拉伸无限大薄板中圆孔附近应力理论解是一致的，也表明计算结果正确无误。

图7  薄板中的Normal Stress应力分布情况