有限元计算结果的应力分类.pdf
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1、2005年8月28日11时13分 1 有限元计算结果的 应力分类 有限元计算结果的 应力分类 清华大学航天航空学院清华大学航天航空学院 陆明万陆明万 一、引言一、引言一、引言一、引言 分析设计要求区分五类应力:分析设计要求区分五类应力: m P一次总体薄膜应力一次总体薄膜应力 L P一次局部薄膜应力一次局部薄膜应力 b P一次弯曲应力一次弯曲应力 Q二次应力二次应力 F峰值应力峰值应力 一、引言一、引言一、引言一、引言 应力分类的基本思想:应力分类的基本思想: (1)根据作用和性质:)根据作用和性质: 一次应力一次应力是平衡外部机械载荷所需要的,是平衡外部机械载荷所需要的,无自限性 自限应力
2、无自限性 自限应力是满足变形协调所需要的,是满足变形协调所需要的,有自限性有自限性 m P L P b P Q F (2)根据分布和影响范围:)根据分布和影响范围: 一次应力一次应力分为、分为、 自限应力自限应力分为、分为、 一、引言一、引言一、引言一、引言 从找高应力着手,凡找不到的都取偏小的安全系数从找高应力着手,凡找不到的都取偏小的安全系数 是一种偏保守的应力分类过程:是一种偏保守的应力分类过程: m P 一旦得到一次总应力 不难区分、和 一旦得到一次总应力 不难区分、和L P b P P PQ+F 首先区分峰值应力和首先区分峰值应力和 等效线性化处理等效线性化处理 Q 然后再区分和然后
3、再区分和 一次结构法、极限载荷法一次结构法、极限载荷法 P 如何分解出一次、二次、峰值应力如何分解出一次、二次、峰值应力 有限元计算结果是总应力:有限元计算结果是总应力: 2005年8月28日11时13分 2 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 等效线性化处理等效线性化处理是区分峰值应力的有效手段是区分峰值应力的有效手段 选择应力校核(分类)线选择应力校核(分类)线 通过插值计算校核线上的应力值通过插值计算校核线上的应力值 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 根据根据静力静力(合力、合力矩)(合力、合力矩)等效原理等效原理线性化线性化 处理后得到:薄膜应力、弯曲应力
4、、非线性应力处理后得到:薄膜应力、弯曲应力、非线性应力 非线性分布应力可以归入峰值应力非线性分布应力可以归入峰值应力 薄膜和弯曲应力尚待判断薄膜和弯曲应力尚待判断 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 峰值应力两大特征:峰值应力两大特征:自限性、局部性自限性、局部性 自限性:自限性: ASME:“峰值应力的基本特性是: 它 ASME:“峰值应力的基本特性是: 它不引起任何显著的变形不引起任何显著的变形, 它是一种 , 它是一种导致疲劳裂纹导致疲劳裂纹或脆性断裂的可能原因”或脆性断裂的可能原因” “不引起任何显著的变形”就是有“不引起任何显著的变形”就是有高度的自限性高度的自限性 “
5、导致疲劳裂纹”是“导致疲劳裂纹”是有自限性的循环塑性失效模式有自限性的循环塑性失效模式 弹性力学中只要两种引起应力的导因: 满足平衡 弹性力学中只要两种引起应力的导因: 满足平衡一次应力,满足协调一次应力,满足协调自限应力自限应力 “局部结构不连续” 是 “整体结构不连续”的局部化“局部结构不连续” 是 “整体结构不连续”的局部化 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 自限性:自限性:是自平衡力系是自平衡力系 局部性:局部性:不超过壁厚的 1/4 不超过壁厚的 1/4 2005年8月28日11时13分 3 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 承压部件:承压部件:校核线
6、一般沿壁厚方向校核线一般沿壁厚方向 一般情况:一般情况:校核线应沿峰值应力衰减的方向校核线应沿峰值应力衰减的方向 裂纹开孔 二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力二、峰值应力 校核线取为沿裂纹扩展方向校核线取为沿裂纹扩展方向 找峰值应力时校核线的选取:找峰值应力时校核线的选取: (1)(1)找峰值应力点找峰值应力点 一般步骤:一般步骤: (3)(3)裂纹前沿垂直方向 近似椭圆的短轴方向 裂纹前沿垂直方向 近似椭圆的短轴方向 (2)(2)找第一主应力作用面,画云纹图找第一主应力作用面,画云纹图 (4)(4)裂纹扩展最短线方向裂纹扩展最短线方向 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三
7、、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 一次结构法基本思想一次结构法基本思想 二次应力与总体结构不连续性有关二次应力与总体结构不连续性有关 约束解除,二次应力消失,出现结构不连续性约束解除,二次应力消失,出现结构不连续性 若新结构还能承载若新结构还能承载 消失的应力与平衡外载无关,为消失的应力与平衡外载无关,为二次应力二次应力 新结构内为一次(含二次)应力,称新结构内为一次(含二次)应力,称一次结构一次结构 若还有高应力,继续约束解除若还有高应力,继续约束解除 若新结构成可动机构若新结构成可动机构 解约前的结构为最终的解约前的结构为最终的一次结构一次结构 三、区分二次应力和一次应力
8、三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 进一步的思考进一步的思考 约束分类:约束分类:基本约束、多余约束基本约束、多余约束 有利约束、不利约束有利约束、不利约束 有利约束保留,相应约束反力归入有利约束保留,相应约束反力归入一次应力一次应力 q B A a a q B A 2 8 1 qaMB= 2 16 3 qaM A + = 2005年8月28日11时13分 4 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 进一步的思考进一步的思考 一次结构可能有多种:一次结构可能有多种: 正如材料力学中超静
9、定问题可能有多种静定基正如材料力学中超静定问题可能有多种静定基 可以根据工程实际情况选择最优方案可以根据工程实际情况选择最优方案 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 进一步的思考进一步的思考 取一次结构时的注意事项:取一次结构时的注意事项: 必须满足平衡条件必须满足平衡条件 不能人为地增加约束不能人为地增加约束 不能成可动机构不能成可动机构 是原始结构解除不利约束、能承受外载的简化结构是原始结构解除不利约束、能承受外载的简化结构 一次结构一次结构 一次结构中的应力都属于一次应力一次结构中的应力都属于一次应力 三、区分二次应力
10、和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 一次结构法的实施步骤一次结构法的实施步骤 (1)确定薄膜加弯曲应力最大值及其位置(1)确定薄膜加弯曲应力最大值及其位置 IV S若若大于大于,继续找峰值应力 修改设计方案 ,继续找峰值应力 修改设计方案 IV S 若若小于等于小于等于,应用一次结构法,应用一次结构法 IV S V S和用应力强度范围(循环载荷)和用应力强度范围(循环载荷) 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 一次结构法的实施步骤一次结构法的实施步骤 (2)解除导致该最大
11、应力的约束(2)解除导致该最大应力的约束 弯曲应力解除转动约束 变为中面节点处相连、可以相互转动的两个截面 弯曲应力解除转动约束 变为中面节点处相连、可以相互转动的两个截面 消除虚假应力集中:加截面保持平面的约束方程消除虚假应力集中:加截面保持平面的约束方程 () 2 ; iOC z uuu t = () 2 ; iOC z vvv t = 2005年8月28日11时13分 5 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 一次结构法的实施步骤一次结构法的实施步骤 (3)对解除约束后的新结构进行有限元分析 出现3种情况: 若薄膜应力还
12、太大,解除截面上全部约束 (3)对解除约束后的新结构进行有限元分析 出现3种情况: 若薄膜应力还太大,解除截面上全部约束 不连续处两侧结构完全独立,可以不连续处两侧结构完全独立,可以分别分别计算计算 i)有限元分析无法进行i)有限元分析无法进行 P P成可动机构成可动机构 基本约束不能解除基本约束不能解除 修改设计方案修改设计方案 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 ii)新结构的最大应力强度小于原结构ii)新结构的最大应力强度小于原结构 解除的是不利约束,解除的是不利约束,消失的是二次应力消失的是二次应力 注意:注意:新结
13、构的最大应力位移转移了新结构的最大应力位移转移了 解除合理,继续找其他二次应力解除合理,继续找其他二次应力 ii)新结构的最大应力强度大于原结构ii)新结构的最大应力强度大于原结构 解除的是有利约束解除的是有利约束 保留有利约束保留有利约束,消失的可作一次应力消失的可作一次应力 若新结构最大应力大于,若新结构最大应力大于,修改设计方案修改设计方案 III S 一次结构法的实施步骤一次结构法的实施步骤 三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力三、区分二次应力和一次应力 一次结构法的实施步骤一次结构法的实施步骤 I S II S (4)检验新结构中的应力是否满
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- 有限元 计算 结果 应力 分类
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