懸臂
關注創建者：偉_sss 創建時間：2020-07-29
懸臂的視頻教程
ABAQUS懸臂梁仿真及簡化
以懸臂梁仿真仿真作為基礎，由簡入繁。逐步介紹懸臂梁由實體——殼——梁的簡化。 主要涉及的知識點： 懸臂梁的實體仿真 耦合的約束 懸臂梁使用殼單元簡化 懸臂梁使用梁單元簡化
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靜電驅動懸臂梁靜電-結構及動態特性耦合分析（三章全）
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懸臂的實例教程
1.問題描述
當一個懸臂梁在受到端部力的作用時候，懸臂梁彎曲，去除作用力之后，懸臂梁會自己產生上下的振動，如何描述這個現象，考慮短時間的振動效果
2.問題分析
首先單獨懸臂梁的分析通過隱式算法瞬態分析transient structural肯定可以分析得到準確的結果，本次主要考察模型如果存在復雜碰撞等情況，那么必須采用顯示算法lsdyna，這個軟件中中如何來計算初始變形。
由于lsdyna自身的原因，計算的步長受到材料密度、彈性模量、網格大小等因素影響，不可控制，只能計算很短時間內的一個變形。如果延長時間則計算量過大，沒有意義了。
那么在常規方法在lsdyan中，只能在0.001s內懸臂梁加載受力，懸臂梁在很短的時間內彎曲，在0.001s撤銷受力之后，懸臂梁恢復原始形狀的同時并上下搖擺振動。但是仿真中在加載初始力之后，懸臂梁會產生抖動，對于后續撤銷受力之后產生影響，那么如何消除這個現象？
3.動力松弛
在設置中可以添加dynamic relaxation，設置如下所示，其中
pseudo end time表示偽時間
在顯式動力學分析中，計算時間步長通常非常小（受材料波速和單元尺寸限制），導致模擬真實時間較長的過程需要極多的計算步數，效率低下。Pseudo End Time 通過以下方式優化計算：
縮短實際計算時間：通過人為設定一個 “偽時間”，讓程序在該時間點提前終止計算，但仍保持物理過程的相似性。
加速準靜態過程：對于緩慢加載或變形過程（如金屬成型、結構靜壓試驗），使用較大的偽時間可以在不影響結果精度的前提下顯著減少計算量。
展開 梁根部的彎矩
因此，一根懸臂梁要想能成為可以承受荷載的構件，需要能抗剪，而且是兩個方向；同時，需要能抗彎。
對于一根建筑中常用的實腹梁，梁縱剖面之間的抗剪承載力非常高，常常被我們忽視。但理論上，任何結構都必須能夠抵抗以上三種破壞模式。
三、懸臂結構
首先說明一點，如果將懸臂結構旋轉90度，那就可以看成高層建筑。懸臂結構上的豎向荷載就是高層建筑的水平力；懸臂梁的橫向剪力就是層間剪力；懸臂梁根部的彎矩就是傾覆力矩。
將懸臂梁旋轉90度后的受力情況
圍繞著懸臂結構如何抵抗剪力和彎矩，將結構類型分為以下兩類：
1.剪力由構件的抗彎能力抵抗
如下圖所示的一個懸臂結構通常稱為空腹桁架。該懸臂結構的橫向剪力由上下弦桿的抗彎能力抵抗，其縱向剪力由豎腹桿的抗彎能力抵抗。懸臂結構根部彎矩由弦桿的彎矩和軸力承擔，若桿件的尺度都差不多，那么弦桿的軸力較小。將手機轉過90度，該懸臂結構就是框架結構。該結構的剛度，取決于桿件和節點的抗彎剛度。
空腹桁架示意圖一
假設我們將豎腹桿的抗彎剛度設為無窮大，如下圖所示。增強豎腹桿的剛度，豎腹桿所承擔的剪力就會增大，上下弦桿承擔的軸力會因此而增大。弦桿的共同作用增強，該懸臂結構根部的抗彎能力得到增強。
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前言
鋼筋混凝土懸臂梁是比較常見的一類構件,可簡化為一端是固定支座，另一端為自由端的計算模型，由于懸臂梁屬于靜定結構，因此體系的溫度變化、混凝土收縮徐變、支座移動等只會使懸臂梁出現變形，但是不會在懸臂梁中產生附加內力，而懸臂梁的變形，主要由彎曲變形和剪切變形的組合為主。
具體過程詳見附件：
Inspire在懸臂架輕量化設計中的應用.doc
懸臂架是一種結構簡單，作業高效的吊裝設備，在貨物裝卸中發揮著較大的作用。懸臂架的生產工藝簡單，又具有重量輕、工作靈活等特點，在一般的吊裝場所應用廣泛。懸臂架的主體結構采用鋼板焊接而成，一般結構形式如圖一所示。根據結構力學分析可知，這類結構在外力作用下高應力區主要分布在結構根部，在吊臂結構其它區域應力較小，這樣的應力分布未能充分發揮所有材料的承載性能。如果對這類結構進行優化設計，使應力分布趨于均勻化，便能充分發揮材料性能，節省成本。
本文利用簡單易用，功能強大的Inspire，采用分步漸進的優化策略，先后利用拓撲優化和尺寸優化，對懸臂架進行結構優化設計。第一步拓撲優化以剛度最大為優化目標，第二步尺寸優化，以性能為約束條件、質量最輕為目標，實現了結構的輕量化設計，優化方案減重23%。
懸臂架主體采用鋼板焊接成型，焊接方式為二氧化碳氣體保護焊。具體的結構如圖1所示。主臂材質為Q345，其余結構材料為Q235。Inspire采用OptiStruct求解器，保證了求解效率和計算精度。
軟件提供了完整的優化設計功能，利用該優化技術，對懸臂架模型進行了拓撲優化和尺寸優化求解，最終解決了懸臂架輕量化設計的問題，并且效果顯著。
1、 懸臂架經過優化設計后，各項力學指標均滿足企業標準；
2、 懸臂架重量由73.5 Kg降到66 Kg，減重10%，實現了低成本地輕量化設計；
3、 該方法對其它類似結構的輕量化設計具有實際的參考價值。
展開 本文所采用的懸臂梁模型示意圖如下：
懸臂梁尺寸為L=1m，W=0.1m，厚度D=0.01m。彈性模量E=210Gpa，泊松比μ=0.3，密度為7850kg/m3。懸臂梁端部豎直受力為10N。
本例所用的HyperWorks版本為2022，在某些界面上有所不同，但是基本上不影響分析設置。
在Optistruct中用直接法進行瞬態分析的步驟如下：
1. 創建網格模型，并賦予材料、屬性
2. 定義約束SPC load collector并施加約束
3. 定義外力DAREA或強制運動SPCD
4. 定義動態載荷表TABLED1
5. 定義求解過程使用的時間步序列TSTEP
6. 定義瞬態載荷TLOAD1
7. 定義結構阻尼系數PARAM,G和PARAM,W3
8. 定義瞬態分析工況
9. 定義瞬態響應分析的響應輸出類型
首先打開Hypermesh，選擇Optistruct模塊，創建懸臂梁網格模型，并賦予對應材料和屬性。
把屬性和材料賦予組件。然后創建SPC loadcollector，將懸臂梁左部節點全約束。
在懸臂梁右側自由端上方中點施加載荷幅值，約束3方向自由度，取值為-1。
定義載荷曲線TABLED1
定義分析時間序列TSTEP
定義瞬態載荷TLOAD1，選擇激勵為創建的載荷幅值DAREA，類型選擇LOAD，TID選擇創建的載荷曲線。
定義阻尼PARAM,G和PARAM,W3。這里的G為整體的結構阻尼，取G=0.04。
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OptisLang優化案例
該模型主要包含以下幾個部分：作為柔性組件的底座、懸臂和工作軸部件；作為剛性組件的X向滑臺；不同組件之間的關節連接模塊；X、Y、Z三個方向的驅動輸入信號模塊；以及位于Z向懸臂末端的實際輸出信號模塊；對應的系統框圖和物理模型如圖3和圖4所示。
二、 求解器核心功能邊界
復雜特征兼容： 支持曲線纖維變剛度路徑空間分布、支持展向厚度漸縮/雙楔形截面、支持各種經典邊界條件（懸臂、簡支等）。
線性頻域分析： 極速提取復特征值，繪制高分辨率 V-g / V-f 根軌跡圖。支持多約束下的全參數空間顫振邊界尋優。
位移梯度在尖端處同樣發散
1.2 無法解釋的"尺寸效應"
經典理論的另一個致命缺陷是無法考慮缺陷尺度對承載能力的影響：
實驗觀測經典理論預測矛盾小孔試樣的斷裂強度顯著高于大孔試樣
應力集中系數恒為3，與孔徑無關
? 嚴重不符
微懸臂梁越薄
但當我們把目光投向微納米尺度（MEMS傳感器、微納電子器件）或應變集中問題時，奇怪的事情發生了：
微懸臂梁：厚度從8μm減到2μm，測得的彈性模量從115 GPa飆升到175 GPa（變硬了50%）帶小孔的板：孔徑從5mm減到0.4mm，應變集中系數從3.0降到1.2（按理說應該不變）微壓痕測試：壓得越淺，算出來的"彈性模量"越大（著名的壓痕尺寸效應）
經典理論完全無法解釋這些現象
MEMS包含大量微型化電子元件及機械結構，其中包括致動器、微傳感器、懸臂、微鏡、薄膜、小型通道、開關、空腔，以及作為MEMS的“大腦”和控制中心的微電子集成電路（IC）。一般情況下，由硅基板構成IC，然后上面會添加其它微系統組件。
MEMS技術問世已有數年，而且隨著“小型化”技術發展趨勢，其被視為電子技術的未來。
基于懸臂梁結構的端面耦合器
圖9中展示了基于懸臂梁結構的端面耦合器示意圖。在倒錐形硅結構的基礎上，將BOX層及其下的襯底部分切至一定厚度，露出一個包覆SiO2的錐形懸臂梁硅結構，將光纖放置在蝕刻槽中，并與懸臂梁結構的切割面對齊。總的來說，這種基于懸臂梁結構的端面耦合器以較長尺寸為代價實現了良好的耦合性能。
基于懸臂梁結構的端面耦合器
圖9中展示了基于懸臂梁結構的端面耦合器示意圖。在倒錐形硅結構的基礎上，將BOX層及其下的襯底部分切至一定厚度，露出一個包覆SiO2的錐形懸臂梁硅結構，將光纖放置在蝕刻槽中，并與懸臂梁結構的切割面對齊。總的來說，這種基于懸臂梁結構的端面耦合器以較長尺寸為代價實現了良好的耦合性能。
這個結果不僅能幫助大家理解“姿態與受力”的關聯，更能遷移到工程實踐中——比如機械結構中的懸臂梁、支撐部件等，如何通過姿態優化降低應力集中，提升結構可靠性。
二、流體力學拓展：強風下的流阻與流場分析
除了結構受力，我們還拓展了流體力學分析場景：模擬強風吹過馬匹健壯身體的工況，分析其流阻大小與周圍流場分布。
那么在常規方法在lsdyan中，只能在0.001s內懸臂梁加載受力，懸臂梁在很短的時間內彎曲，在0.001s撤銷受力之后，懸臂梁恢復原始形狀的同時并上下搖擺振動。但是仿真中在加載初始力之后，懸臂梁會產生抖動，對于后續撤銷受力之后產生影響，那么如何消除這個現象？
