(大学毕业论文)ANSYS 在建筑钢结构断裂分析中的应用

摘    要:钢结构的裂纹尖端的状态对结构的断裂影响很大,是钢材断裂分析和设计中研究的重 点。由于一般构件的几何形状和荷载状态复杂,难于对裂纹尖端的应力和应变状态得到 理论的结果,…

摘    要:钢结构的裂纹尖端的状态对结构的断裂影响很大,是钢材断裂分析和设计中研究的重 点。由于一般构件的几何形状和荷载状态复杂,难于对裂纹尖端的应力和应变状态得到 理论的结果,因此有限元的计算方法非常重要。本文介绍 ANSYS 软件在钢结构断裂分 析的运用。使用 ANSYS 有限元软件对各种断裂模型进行计算,获得了各种因素对钢结 构断裂的影响规律。

关键字:ANSYS 断裂 有限元 裂纹

钢结构的断裂分析与材料本身的缺陷关系密切,因此分析缺陷或者裂纹尖端的应 力应变场是重要的研究手段,很多断裂设计相关的指标如应力强度因子、应力集中系 数、裂纹尖端张开位移等都是根据裂纹尖端的应力场、变形等进行定义。目前只对于 很少量的结构能够得到所需要的理论解,对于实际工程设计来说,由于结构的外形、 缺陷的分布和尺寸非常复杂多样,理论解只是提供了一个分析公式的形式,具体的参 数和计算方法需要通过数值的方法来完成。

ANSYS 软件提供了强大的前处理功能,能够方便的建立含缺陷结构的模型。多 种划分网格的方法能够方便对局部进行加密,既保证计算的精度同时也减小计算的工 作量,因此非常适合于含裂纹或缺陷结构。由于研究过程需要对模型不断进行改变以 分析其变化规律,因此在使用过程中我们也采用 APDL 语言,简化了更改模型所需要 的时间,使研究人员把分析集中在成果的分析整理工作。我们所进行的断裂分析工作 的理论基础有两个:经典断裂理论和断裂力学。经典断裂理论主要的研究内容为含缺 口的板件在缺口位置的应力集中、应力强化以及板厚度方向应力的影响;断裂力学则 是分析应力强度因子 K、裂纹尖端张开位移 CTOD 以及 J 积分随各种条件的变化规律。 下面对采用 ANSYS 进行断裂分析的过程进行分析和介绍。

结论

断裂分析主要针对裂纹或缺陷尖端的小范围区域,该区域的尺度和整个结构相比非常 小,由于应力集中产生的应力和应变数值很大并且分布复杂,采用有限元方法进行分析具 有一定的难度。ANSYS 作为大型通用有限元计算软件能够很好的应用于裂纹或缺陷尖端 的应力应变场的分析工作,分析结果准确,与理论符合很好。

采用 ANSYS 分析含裂纹或缺陷结构的断裂问题,需要注意以下方面:
(1) 充分利用结构和荷载的对称性来简化模型;
(2) 断裂分析的单元尺寸变化很大,在划分网格时注意处理好裂纹或缺陷尖端网格和整体网格之间的过渡。良好的网格划分能够保证计算的精度,同时也尽 可能的减少工作量。


作者: yzznet

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