拉力加載
關注創(chuàng)建者：煮論文的小茶壺 創(chuàng)建時間：2021-04-07
拉力加載的實例教程
6.1 ANSYS仿真及應變片位置確定
基于車架需滿足20t的拉力作用，車架需具有足夠的強度要求，現(xiàn)利用有限元軟件ANSYS進行強度分析，在ANSYS分析中分別分析了加載力為15t、20t和30t的三種加載狀態(tài)，分析中拉力加載在鉤子簡化后的前端面上，根據(jù)現(xiàn)場實驗條件在左、右縱梁壓型上各開的孔，并在這12個孔內壁加上全約束。分析得出的應力場分布如圖1和圖2所示，ANSYS分析中全部節(jié)點應力在附表3中。
加載力為20t時的車架變形圖和70倍變形放圖如圖3和圖4所示
根據(jù)應力場的分布情況，將應變花跌貼于車架的應力較大區(qū)域，具體測點如圖5，利用高速程控靜態(tài)應變數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行測試。待數(shù)據(jù)采集整理后，各測點的應力值，見附表1和表2（各測點貼片位置見附圖）。
6.2 實驗過程
6.2.1 實驗加載記錄流程
實驗過程中每個車架加載流程如下（單位t）：
第一階段：5-10-5-0
第二階段：5-10-15-10-5-0
第三階段：5-10-15-18-20-18-15-10-5-0
第四階段：5-10-15-18-20-22-24-25-27-29-30
第四階段加載過程預定為看現(xiàn)場加載情況來定加載到多少噸位，根據(jù)實際現(xiàn)場情況最后兩次拉伸均拉到最大噸位30t。
6.2.2 實驗數(shù)據(jù)記錄
實驗中對每次加載噸位和加載時間都有詳細記錄，為了讓數(shù)據(jù)穩(wěn)定各加載階段中每個噸位的應變儀數(shù)據(jù)都記錄了三次。
7.實驗數(shù)據(jù)處理與分析
7.1數(shù)據(jù)處理
通過ANSYS仿真和實際測試后，應力場的分布情況基本相同。在ANSYS仿真中，建立的模型尺寸，材料屬性及加載位置和約束情況，均與實際測試中的工況基本相同，仿真具有一定的真參考度和可靠性。由于應變花的貼片厚度及車架經(jīng)過較大的拉力后，個別應變花可能破壞，采集后的應力值較大不予考慮。
展開 高強度螺栓的受拉的受力過程為在外荷載沒有達到預拉之前，連接板在高強度螺栓的預拉力作用下緊緊連接在一起，當外荷載超過預拉力時連接板就開始分開，直到達到極限承載力時；板和螺栓桿的變形如圖4所示：
圖5-3為螺栓桿的應力變形曲線，由螺栓桿的應力變形曲線可分析出其受力過程。由此結果可以看出，構件的受力由預拉力加載段和外荷載加載段組成，在預拉力階段，螺栓桿受到向下的拉力首先出現(xiàn)負方向的變形（本文所選取的是預拉力面以上的螺栓應力變形圖，因此在加預拉力時，受到向下方向的拉力）。在外荷載階段，外荷載小于預拉力時螺栓桿內應力不變，當外荷載超過預拉力后，應力逐漸增加至屈服應力，再進入強化階段，最后達到鋼材的強度時破壞。如圖4所示抗拉高強度螺栓已經(jīng)破壞，此時的外荷載的大小即可近視為高強度螺抗拉連接的極限承力。
4 結論
（1）通過建立高強螺栓構件有限元模型并進行受拉分析，可以基本了解此構件的基本受 力情況；為了解高強螺栓的結構提供了一定的理論依據(jù)。
（2）預應力對構件的連接整體性非常重要，一旦預應力被外力抵消，構件便產生較大的變形，因此選擇合適的預應力非常重要。
（3）如果本論文在分析建模的過程中，考慮溫度等效應，對實際的構件受力將能得到更好的分析模擬。
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展開 彈簧被模擬成具有拉力的預加載彈簧元件，而阻尼器則被模擬成兩級非線性阻尼器元件。墊圈被模擬成襯套元件，并且主剛度基于Marc分析計算得到（圖2）。
圖 2
Marc模型使用經(jīng)驗模型，獲得橡膠墊圈的
非線性材料屬性。
使用材料試驗結果可以計算出經(jīng)驗模型中的各種常數(shù)。
獲得非線性材料屬性的工作流程如圖所示（圖3）。
圖 3
材料數(shù)據(jù)通過簡單拉伸、平面拉伸等試驗來收集，如雙軸拉伸和剪切。
對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，以提取表征非線性材料模型（如Mooney，Ogden等）所需的各種模型系數(shù)。
優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)擬合，以獲得主要的應變和應變水平。
然后，特征化的材料模型在Marc中被用于運行各種分析類型，如圖4所示。
在Marc中執(zhí)行線性諧波分析，以確定墊圈的固有頻率，
并估算其振動量級。
非線性靜力分析可用于預測等效剛度和任何接觸。
從Marc模型計算得到的主剛度會輸入到一個剛性的Adams多體動力學模型中，該模型可以預測動態(tài)加速度/位移以及載荷向框架的傳遞。
除了計算洗衣機框架上的載荷， Adams-Marc聯(lián)合仿真還可以用來執(zhí)行瞬態(tài)動力學仿真，以評估變形、接觸和屈曲。
圖 4
Adams和Marc（v18.1）之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。開發(fā)MSC CoSim，就是為了提供一個聯(lián)合仿真接口，以便在多物理框架內直接耦合不同的求解器/學科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被導入CoSim界面。
Adams分析條件包括500g的不平衡衣物載荷，用于觸發(fā)振動。電機的最大轉速設置為1300rpm。對兩種不同的墊圈幾何，評估了兩種Marc具體情況，帶和不帶側肋。
展開 彈簧被模擬成具有拉力的預加載彈簧元件，而阻尼器則被模擬成兩級非線性阻尼器元件。墊圈被模擬成襯套元件，并且主剛度基于Marc分析計算得到。
Marc模型使用經(jīng)驗模型，獲得橡膠墊圈的非線性材料屬性。使用材料試驗結果可以計算出經(jīng)驗模型中的各種常數(shù)。獲得非線性材料屬性的工作流程如圖所示。
材料數(shù)據(jù)通過簡單拉伸、平面拉伸等試驗來收集，如雙軸拉伸和剪切。對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，以提取表征非線性材料模型（如Mooney，Ogden等）所需的各種模型系數(shù)。優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)擬合，以獲得主要的應變和應變水平。然后，特征化的材料模型在Marc中被用于運行各種分析類型。在Marc中執(zhí)行線性諧波分析，以確定墊圈的固有頻率，并估算其振動量級。非線性靜力分析可用于預測等效剛度和任何接觸。從Marc模型計算得到的主剛度會輸入到一個剛性的Adams多體動力學模型中，該模型可以預測動態(tài)加速度/位移以及載荷向框架的傳遞。除了計算洗衣機框架上的載荷，Adams-Marc聯(lián)合仿真還可以用來執(zhí)行瞬態(tài)動力學仿真，以評估變形、接觸和屈曲。
Adams和Marc（v18.1）之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。開發(fā)MSC CoSim，就是為了提供一個聯(lián)合仿真接口，以便在多物理框架內直接耦合不同的求解器/學科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被導入CoSim界面。
Adams分析條件包括500g的不平衡衣物載荷，用于觸發(fā)振動。電機的最大轉速設置為1300rpm。對兩種不同的墊圈幾何，評估了兩種Marc具體情況，帶和不帶側肋。
展開 在實際工程項目中為得到較為準確的材料屬性，可用電子拉力機對小試件做力學性能試驗來確定的。通過試驗可以得到上述材料應力應變曲線圖。注意試驗得到的是總應變，而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain，所以還需將試驗所得的總應變減去對應的彈性應變（即屈服點之后的每一個試驗點的總應變減去這個點對應的彈性應變，其中彈性應變=應力/彈性模量，這里不考慮其他因素影響近似認為總應變=彈性應變+塑性應變）
3
邊界條件
一端完全約束，一段加載軸向拉力40000N。
4
分析步設置
每一步分析都能計算出一個應力和應變，因此可以根據(jù)繪圖的精度來確定載荷步的多少。但要遵循一個原則：線彈性階段不宜設置過多載荷步，因為線彈性階段應力應變是線性變化的，計算出較多的數(shù)據(jù)點也沒有多大意義。一般線性階段設置3~4個載荷步，能起到驗證線性變化即可；屈服階段載荷步設置可依據(jù)應力應變曲線設置多一些載荷步，但要綜合考慮計算機的性能和計算時間。 Ps:我10G內存，處理器頻率還不到3GHz的本本，算57個數(shù)據(jù)點需要10分鐘左右。
分析步設置如下圖：
先輸入Number of step即一共打算設置的載荷步，然后修改Current Step Number對每一個載荷步進行子步設置。一般默認子步設置為Auto time stepping—program controlled，該選項會增加子步數(shù)量，如果計算機性能較低可以關掉Auto time stepping（值為OFF），選擇默認子步數(shù)量1。
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彈簧被模擬成具有拉力的預加載彈簧元件，而阻尼器則被模擬成兩級非線性阻尼器元件。墊圈被模擬成襯套元件，并且主剛度基于Marc分析計算得到。
Marc模型使用經(jīng)驗模型，獲得橡膠墊圈的非線性材料屬性。使用材料試驗結果可以計算出經(jīng)驗模型中的各種常數(shù)。獲得非線性材料屬性的工作流程如圖所示。
彈簧被模擬成具有拉力的預加載彈簧元件，而阻尼器則被模擬成兩級非線性阻尼器元件。墊圈被模擬成襯套元件，并且主剛度基于Marc分析計算得到（圖2）。
圖 2
Marc模型使用經(jīng)驗模型，獲得橡膠墊圈的
非線性材料屬性。
使用材料試驗結果可以計算出經(jīng)驗模型中的各種常數(shù)。
獲得非線性材料屬性的工作流程如圖所示（圖3）。
通過施加到試樣頂部和底部表面的均勻拉力實現(xiàn)模式I加載。 當使用常規(guī)有限元方法時，由于關于于x =0和y =0的對稱性，可以僅取模擬板的右上象限進行模擬計算，四分之一模型的網(wǎng)格如圖3所示。在全模型裂縫的情況下，左側和右側圍線積分在Abaqus/CAE中定義，如圖4所示，裂紋擴展的法線或q向量可用于定義裂紋擴展方向。
由此結果可以看出，構件的受力由預拉力加載段和外荷載加載段組成，在預拉力階段，螺栓桿受到向下的拉力首先出現(xiàn)負方向的變形（本文所選取的是預拉力面以上的螺栓應力變形圖，因此在加預拉力時，受到向下方向的拉力）。在外荷載階段，外荷載小于預拉力時螺栓桿內應力不變，當外荷載超過預拉力后，應力逐漸增加至屈服應力，再進入強化階段，最后達到鋼材的強度時破壞。
注意試驗得到的是總應變，而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain，所以還需將試驗所得的總應變減去對應的彈性應變（即屈服點之后的每一個試驗點的總應變減去這個點對應的彈性應變，其中彈性應變=應力/彈性模量，這里不考慮其他因素影響近似認為總應變=彈性應變+塑性應變）
3
邊界條件
一端完全約束，一段加載軸向拉力
6.1 ANSYS仿真及應變片位置確定
基于車架需滿足20t的拉力作用，車架需具有足夠的強度要求，現(xiàn)利用有限元軟件ANSYS進行強度分析，在ANSYS分析中分別分析了加載力為15t、20t和30t的三種加載狀態(tài)，分析中拉力加載在鉤子簡化后的前端面上，根據(jù)現(xiàn)場實驗條件在左、右縱梁壓型上各開的孔，并在這12個孔內壁加上全約束。
