CN104951610B - 一种建模方法、测试弯矩的方法以及测试挠度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建模方法、测试弯矩的方法以及测试挠度的方法。所述在弹性转动约束下的试验组件的建模方法包括如下步骤：步骤1：检测待测试验件的各项参数；步骤2：建立待测试验件的二维模型并划分成任意多个节点；步骤3：为待测试验件施加载荷；步骤4：选取节点；步骤5：为待测试验件的两端或其中一端的节点施加约束；步骤6：建立扭力杆的二维模型；步骤7：为待测试验件施加约束，限制所述待测试验件沿其自身轴向转动；步骤8：为扭力杆的二维模型远离待测试验件的一端施加6个方向自由度的约束。本发明中的弹性转动约束下的试验组件的建模方法能够建立处于弹性转动约束状态下的待测试验件，相对于现有技术，其建模方法简单，效率高。

Description

一种建模方法、测试弯矩的方法以及测试挠度的方法

技术领域

本发明涉及工程设计技术领域，特别是涉及一种建模方法、测试弯矩的方法以及测试挠度的方法。

背景技术

在结构有限元分析中，通常将转动约束假设为完全刚性或完全自由。但在实际工程中，转动约束往往很难满足这一假设条件，一般处于两者之间，即弹性转动约束状态。

在结构有限元仿真软件中，弹性约束不像刚性约束那样可以直接施加。在结构有限元分析时，为模拟弹性约束，通常需要将约束结构与分析对象同时进行有限元网格划分。如果弹性约束结构比较庞大和复杂，那么有限元模型构建是比较困难的，而且所建立的有限元模型规模也较大、求解时间较长。另外，如果只知弹性约束的刚度，而不知弹性约束的结构，则弹性转动约束无法模拟。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在弹性转动约束下的试验组件的建模方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种在弹性转动约束下的试验组件的建模方法。所述试验组件包括待测试验件以及用于约束待测试验件的扭力杆，所述在弹性转动约束下的试验组件的建模方法包括如下步骤：步骤1：检测待测试验件的各项参数；步骤2：通过所述步骤1中的各项参数，建立待测试验件的二维模型，将所述待测试验件划分成任意多个节点；步骤3：为所述步骤1中的待测试验件施加载荷；步骤4：选取所述步骤2中的节点，所述节点至少包括所述待测试验件的两端的节点以及沿其轴向方向的受到载荷处的节点；步骤5：为所述步骤4中的待测试验件的两端或其中一端的节点施加约束，所述约束用于约束所述待测试验件的受到所述约束时相应的节点的平动自由度；步骤6：在所述步骤2中的二维平面内建立扭力杆的二维模型，其中，所述扭力杆的二维模型的一端为所述步骤5中的受到所述约束的节点，且所述扭力杆的二维模型的轴向方向垂直于所述待测试验件的轴向方向与所述载荷的方向所形成的平面；步骤7：为所述待测试验件施加约束，限制所述待测试验件沿其自身轴向转动；步骤8：为所述步骤6中的扭力杆的二维模型远离所述待测试验件的一端施加6个方向自由度的约束。

优选地，所述步骤1中的待测试验件的各项参数包括：所述待测试验件的长度参数、扭转刚度参数、直径参数、弹性模量参数以及所述待测试验件的泊松比。

优选地，所述步骤6包括如下步骤：步骤61：赋予所述扭力杆的二维模型参数数据，使所述扭力杆的二维模型的扭转刚度等于所述步骤2中的待测试验件的扭转刚度；步骤62：通过公式计算所述扭力杆的直径。

优选地，所述步骤61中的扭力杆的二维模型参数数据包括：扭力杆长度t、扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ以及扭力杆的材料剪切弹性模量G。

优选地，所述步骤61中的扭力杆长度t以及所述扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ应满足如下公式：

其中，G为扭力杆的材料剪切弹性模量；K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T。

优选地，所述扭力杆的直径采用如下公式进行计算：

其中，d为圆杆直径；t为扭力杆长度；G为扭力杆的材料剪切弹性模量，K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T，π为圆周率。

本发明还提供了一种利用如上所述的建模方法测试待测试验件的弯矩的方法，所述方法包括：步骤1：建立如权利要求1至6中任意一项所述的试验组件的模型；步骤2：通过有限元计算方法对所述试验组件中的待测试验件进行计算，获得所述待测试验件的任意位置的弯矩。

优选地，采用如下公式进行弯矩计算：

其中，M为弯矩，P为施加的载荷；L为待测试验件的长度，x为任意位置：α为：为梁的转动约束刚度参数。

本发明还提供了一种利用如上所述的建模方法测试待测试验件的挠度的方法，所述方法包括：步骤1：建立如权利要求1至6中任意一项所述的试验组件的模型；步骤2：通过有限元计算方法对所述试验组件中的待测试验件进行计算，获得所述待测试验件的任意位置的挠度。

优选地，采用如下公式进行挠度计算：

其中，

y为挠度，E为拉伸弹性模量，I为横截面的最小弯曲惯性矩，α为为梁的转动约束刚度参数，K_M为弹性转动约束刚度，P为施加的载荷，L为待测杆的长度；x为任意位置。

本发明中的弹性转动约束下的试验组件的建模方法能够建立处于弹性转动约束状态下的待测试验件，相对于现有技术，其建模方法简单，效率高。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的试验组件的二维模型示意图。

图2是图1所示的实验组件的弯矩测试数据图，其中，KM取962113N·mm/rad。

图3是图1所示的实验组件的弯矩测试数据图，其中，KM取192423N·mm/rad。

图4是图1所示的实验组件的挠度测试数据图，其中，KM取962113N·mm/rad。

图5是图1所示的实验组件的挠度测试数据图，其中，KM取192423N·mm/rad。

附图标记：

1	待测试验件	3	扭力杆
				2	节点

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的在弹性转动约束下的试验组件的建模方法包括如下步骤：

步骤1：检测待测试验件的各项参数；可以理解的是，上述的各项参数具体包括：待测试验件1的长度参数、扭转刚度参数、直径参数、弹性模量参数以及待测试验件1的泊松比。

步骤2：通过步骤1中的各项参数，建立待测试验件的二维模型，将待测试验件划分成任意多个节点；

步骤3：为步骤1中的待测试验件施加载荷；在本实施例中，该载荷施加在待测试验件的中部，该中部为待测试验件的两端距该中部的距离相等处。

可以理解的是，该载荷也可以施加在其他位置，在施加其他位置时，需要考虑偏移量。

步骤4：选取步骤2中的节点，节点至少包括待测试验件的两端的节点以及沿其轴向方向的受到载荷处的节点；

步骤5：为步骤4中的待测试验件的两端或其中一端的节点施加约束，该约束用于约束待测试验件的受到约束时相应的节点的平动自由度；

步骤6：在步骤2中的二维平面内建立扭力杆的二维模型，其中，扭力杆的二维模型的一端为步骤5中的受到约束的节点，且扭力杆的二维模型的轴向方向垂直于待测试验件的轴向方向与载荷的方向所形成的平面；具体地，步骤6包括如下步骤：

步骤61：赋予扭力杆3的二维模型参数数据，使扭力杆3的二维模型的扭转刚度等于步骤2中的待测试验件1的扭转刚度；该处的扭力杆3的参数数据包括：扭力杆长度t、扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ以及扭力杆的材料剪切弹性模量G。可以理解的是，该处的扭力杆长度t、扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ以及扭力杆的材料剪切弹性模量G应当满足下述公式：

其中，G为扭力杆的材料剪切弹性模量；K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T。

可以理解的是，上述的待测试验件的扭转刚度为已知量，即上述的扭力杆长度t以及扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ可以自行设定，只要能够满足上述的公式即可。

步骤62：通过公式计算所述扭力杆的直径。具体地，采用如下公式进行计算：其中，

d为圆杆直径；

t为扭力杆长度；G为扭力杆的材料剪切弹性模量，K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T，π为圆周率。

步骤7：为待测试验件施加约束，限制待测试验件沿其自身轴向转动；

步骤8：为步骤6中的扭力杆的二维模型远离待测试验件的一端施加6个方向自由度的约束。

本发明中的弹性转动约束下的试验组件的建模方法能够建立处于弹性转动约束状态下的待测试验件，相对于现有技术，其建模方法简单，效率高。

根据本发明的在弹性转动约束下的试验组件的建模方法，本发明还提供了一种利用如上所述的建模方法测试待测试验件的弯矩的方法，所述方法包括：步骤1：建立如上所述的试验组件的模型；

步骤2：通过有限元计算方法对试验组件中的待测试验件1进行计算，获得待测试验件1的任意位置的弯矩。

所述步骤2中的有限元计算公式为：

其中，

M为弯矩，P为施加的载荷；L为待测试验件的长度，x为任意位置：α为：为梁的转动约束刚度参数。

根据本发明的在弹性转动约束下的试验组件的建模方法，本发明还提供了一种利用如上所述的建模方法测试待测试验件的挠度的方法，所述方法包括：

步骤1：建立如上所述的试验组件的模型；

步骤2：通过有限元计算方法对试验组件中的待测试验件1进行计算，获得待测试验件1的任意位置的挠度。

所述步骤2中的有限元计算公式为：

其中，

y为挠度，E为拉伸弹性模量，I为横截面的最小弯曲惯性矩，α为为梁的转动约束刚度参数，K_M为弹性转动约束刚度，P为施加的载荷，L为待测杆的长度；x为任意位置。

下面以举例的方式对本发明进行详细阐述，可以理解的是，该举例并不构成对本发明的任何限制。

图1是根据本发明一实施例的试验组件的二维模型示意图。

以图1所示的实验组件的二维模型为例。

通过步骤1，获取该实验组件各项参数。例如，对于图1所示两端弹性转动约束的双支点梁，其横截面为直径D＝10mm的实心圆，长度L＝500mm，材料的拉伸弹性模量E＝196000MPa、泊松比μ＝0.3。其中，在本实施例中，该双支点梁为待测试验件(下称待测试验件)。

根据上述参数，根据步骤2，建立该待测试验件的二维模型，并将该待测试验件1划分成20个节点2。

根据步骤3，在跨中处施加有P＝1000N的集中载荷。

根据步骤4以及步骤5，为待测试验件施加约束，在本实施例中，约束A点和C点的3个方向的平动自由度。

根据步骤6，建立扭力杆3的二维模型，其中，预设该扭力杆3的拉伸弹性模量为E＝196000MPa、泊松比μ＝0.3、长度t＝50mm，根据公式求出扭力杆的材料剪切弹性模量G：通过自行设计，使扭力杆长度t以及所述扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ满足如下公式：

根据步骤62，通过公式计算扭力杆的直径，即最后求出，

由于弹性转动约束可以根据需要自行选取任意数值，因此，下述中以举例的方式选举两组数值：

①K_M＝962113N·mm/rad，相应

②K_M＝192423N·mm/rad，相应

其中，通过下述公式求得弯矩M：

通过下述公式求得挠度y:

式中为一奇异函数，当时，g(x)＝0；当时， 为梁的转动约束刚度参数。当K_M＝962113N·mm/rad时，α＝0.2；当K_M＝192423N·mm/rad时，α＝1.0。

参见图2至图5，从图2至图5中可以看出，采用本发明的在弹性转动约束下的试验组件的建模方法中所建立的实验组件，利用本发明的测试待测试验件的挠度的方法以及测试待测试验件的弯矩的方法所求得的数值，与通过精确解法所求得数值基本一致。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种在弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述试验组件包括待测试验件以及用于约束待测试验件的扭力杆，所述方法包括如下步骤：

步骤1：检测待测试验件的各项参数；

步骤2：通过所述步骤1中的各项参数，建立待测试验件(1)的二维模型，将所述待测试验件(1)划分成任意多个节点(2)；

步骤3：为所述步骤1中的待测试验件(1)施加载荷；

步骤4：选取所述步骤2中的节点(2)，所述节点(2)至少包括所述待测试验件的两端的节点(2)以及沿其轴向方向的受到载荷处的节点(2)；

步骤5：为所述步骤4中的待测试验件(1)的两端或其中一端的节点(2)施加约束，所述约束用于约束所述待测试验件(1)的受到所述约束时相应的节点(2)的平动自由度；

步骤6：在所述步骤2中的二维平面内建立扭力杆(3)的二维模型，其中，所述扭力杆(3)的二维模型的一端为所述步骤5中的受到所述约束的节点(2)，且所述扭力杆(3)的二维模型的轴向方向垂直于所述待测试验件(1)的轴向方向与所述载荷的方向所形成的平面；

步骤7：为所述待测试验件(1)施加约束，限制所述待测试验件(1)沿其自身轴向转动；

步骤8：为所述步骤6中的扭力杆(3)的二维模型远离所述待测试验件(1)的一端施加6个方向自由度的约束。

2.如权利要求1所述的弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述步骤1中的待测试验件(1)的各项参数包括：所述待测试验件(1)的长度参数、扭转刚度参数、直径参数、弹性模量参数以及所述待测试验件(1)的泊松比。

3.如权利要求1所述的弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述步骤6包括如下步骤：

步骤61：赋予所述扭力杆(3)的二维模型参数数据，使所述扭力杆(3)的二维模型的扭转刚度等于所述步骤2中的待测试验件(1)的扭转刚度；

步骤62：通过公式计算所述扭力杆的直径。

4.如权利要求3所述的弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述步骤61中的扭力杆(3)的二维模型参数数据包括：扭力杆长度t、扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ以及扭力杆的材料剪切弹性模量G。

5.如权利要求4所述的弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述步骤61中的扭力杆长度t以及所述扭力杆的横截面最大惯性矩I_ρ应满足如下公式：

其中，G为扭力杆的材料剪切弹性模量；K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T。

6.如权利要求5所述的弹性转动约束下的试验组件的建模方法，其特征在于，所述扭力杆的直径采用如下公式进行计算：

其中，

d为圆杆直径；

t为扭力杆长度；G为扭力杆的材料剪切弹性模量，K_M为扭转刚度，其等于待测试验件的扭转刚度K_T，π为圆周率。

7.一种利用如权利要求1至6中任意一项所述的建模方法测试待测试验件的弯矩的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：建立如权利要求1至6中任意一项所述的试验组件的模型；

步骤2：通过有限元计算方法对所述试验组件中的待测试验件(1)进行计算，获得所述待测试验件(1)的任意位置的弯矩。

8.如权利要求7所述的测试待测试验件的弯矩的方法，其特征在于，采用如下公式进行弯矩计算：

其中，M为弯矩，P为施加的载荷；L为待测试验件的长度，x为任意位置：α为：为梁的转动约束刚度参数。

9.一种利用如权利要求1至6中任意一项所述的建模方法测试待测试验件的挠度的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：建立如权利要求1至6中任意一项所述的试验组件的模型；

步骤2：通过有限元计算方法对所述试验组件中的待测试验件(1)进行计算，获得所述待测试验件(1)的任意位置的挠度。

10.如权利要求9所述的测试待测试验件的挠度的方法，其特征在于，采用如下公式进行挠度计算：

其中，

y为挠度，E为拉伸弹性模量，I为横截面的最小弯曲惯性矩，α为为梁的转动约束刚度参数，K_M为弹性转动约束刚度，P为施加的载荷，L为待测杆的长度；x为任意位置。