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Adina在悬挂支耳破坏机理方面的仿真研究

2012-11-12 20:48| 发布者: 陶醉| 查看: 920| 评论: 0

摘要: 等效应力剪切应力  悬挂支耳在各种工业中应用非常广泛,尤其是在国防工业中需要悬挂重物时。例如,使用悬挂支耳把火箭﹑吊舱等结构吊装到飞机上。在这则短讯内我们通过实验和数值方法来进行悬挂支耳破坏机理的研究 ...

 

等效应力

剪切应力
  悬挂支耳在各种工业中应用非常广泛,尤其是在国防工业中需要悬挂重物时。例如,使用悬挂支耳把火箭﹑吊舱等结构吊装到飞机上。在这则短讯内我们通过实验和数值方法来进行悬挂支耳破坏机理的研究。

  图1显示的是悬挂支耳实验装置的图片。高强度不锈钢悬挂支耳通过螺纹的方式拧入高强度铝合金连接器结构的封闭孔内,悬挂支耳则被重物拉着垂直向下。


图 1 悬挂支耳实验装置

  实验的主要重点是考察当连接器受到指定荷载水平下的循环荷载时悬挂支耳的破坏失效过程及其极限承载力 [1]. 本实验是在德国慕尼黑联邦国防军大学的结构工程实验室由工学博士兼教授英贝特所主持[2]. 在实验中我们可以观察到两种不同的破坏模式:一种破坏模式是悬挂支耳自身的破坏(见图2a);另外一种破坏模式则是连接器发生破坏(见图2b)。为了更好地了解结构的破坏机理,我们采用ADINA软件进行了多种非线性有限元分析。

图 2 实验中观察到的两种破坏模式: (a) 悬挂支耳破坏 (b) 螺纹连接器破坏

  首先,为了研究荷载的传递机理,我们建立了包含悬挂支耳及连接器的3D有限元模型。考虑到模型的对称性,我们建立了四分之一的悬挂支耳及连机器结构,并在对称面上施加合适的对称边界条件。悬挂支耳受到的是拉力 (见图 3a),其中考虑到了悬挂支耳和连接器之间的螺纹接触关系。图3中是其一些计算结果:可见连接器结构的材料相对较柔,其变形则相对较大一些;同时可在悬挂支耳根部螺纹处查看到明显的应力集中现象。

图 3 悬挂支耳与连机器的3D模型: (a) 荷载 & 反力, (b) 变形 和 (c,d) 悬挂支耳和连接器主应力的等值线图

  其次,为了研究悬挂支耳-连接器系统的破坏机理,我们建立了一个2D的轴对称模型。材料分别考虑为线弹性或多线性弹-塑性的材料类型;同时,也对螺纹发生接触相互作用时的数量进行了不同的假设。

  第一次分析时,我们假定材料是线弹性的,接触的相互作用仅发生在底部的3段螺纹间。该工况的接触力及应力结果如图4所示。


图 4 轴对称模型, 考虑3段螺纹之间的接触关系: (a) 螺纹处的接触力

(b) 螺纹附近的主应力 σ1 等值线图 和 (c) 连接器的主应力 σ1 等值线图

  剪应力 σyz, 环向应力 σxx 和等效应力的等值线云图如图5所示。假设裂纹最早从底部螺纹处开始发生, 此时我们可以看到,最下部螺纹的纹口方向的延长线与其等值线呈20 °的夹角,此与实测的破裂角约等于21 °非常吻合。

图 5 轴对称模型, 考虑3段螺纹之间的接触关系: (a) 剪应力 σyz, (b) 环向应力 σxx 和 (c) 连接器区域的等效应力等值线图

  在前面的分析中,我们假设悬挂支耳和螺纹连接器都是线弹性的材料,且接触关系仅发生在底部的3段螺纹间。为了使计算结果更加准确可靠,我们又进行了一个材料是多线性弹-塑性材料的分析。此时,我们使用了ADINA软件内的"材料破坏则自动杀死单元"的功能,与此同时还假定底部4段螺纹发生了接触关系。计算结果如图6所示,可见破裂线与实验测量结果非常相近。该页面顶部的两个动画则分别显示的是当荷载增大时有效应力和剪应力的等值线云图动画,由此可见材料破坏路径的变化过程。

图 6 使用各项同性硬化的弹-塑性材料中的“材料破坏则自动杀死单元”的功能来模拟裂纹的萌生与发展过程。此时假定底部的4段螺纹发生了接触关系

  上述研究表明ADINA在解决结构非线性问题方面具有非常强大的功能。ADINA的分层建模能力是特别有用的。


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