MEMS懸臂梁仿真與分析(帶圖)

1、懸臂梁在循環(huán)加載作用下的彈塑性計(jì)算(GUI)一、問題描述：一個(gè)左端固定的懸臂梁見圖1-1(a)，厚度為1cm,在它的右段中點(diǎn)上施加有一個(gè)集中力，該集中力為循環(huán)載荷見圖1-1(b)，懸臂梁的材料為多線性彈性材料，材料的彈性模量為20000，實(shí)驗(yàn)獲得的該材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為見表1-2，分析該懸臂梁在循環(huán)載荷作用下的觀測(cè)點(diǎn)P的水平方向上的應(yīng)力應(yīng)變歷程。 (a)懸臂梁以及加載位置(cm) (b)所受的循環(huán)載荷(N) 圖1-1 一個(gè)懸臂梁以及加載歷程表1-2 材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 二、問題分析解答： 為考察懸臂梁根部P點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變歷程，采用2D的計(jì)算模型，使用平面單元PLANE42，材料

2、采用多線性彈塑性模型(mkin)，進(jìn)行循環(huán)加載過(guò)程的分析。建模的要點(diǎn)如下： 設(shè)置幾何以及材料參數(shù)， 輸入材料的多線性彈塑性模型 (包括：彈性模量、屈服極限)； 通過(guò)設(shè)置time來(lái)給出加載歷程，每次加載都輸入當(dāng)時(shí)的狀態(tài)載荷值，不是增量加載，每次加載后，必須進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)入下一步的計(jì)算； 在時(shí)間后處理中，通過(guò)設(shè)置幾何位置來(lái)查詢對(duì)應(yīng)的P觀測(cè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，并設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力顯示變量(2號(hào)變量)以及塑性應(yīng)變?yōu)轱@示變量(3號(hào)變量)，最后將3號(hào)變量設(shè)置為橫軸，畫出2號(hào)變量隨3號(hào)變量的變化曲線見，可以看出，該材料具有非常明顯的Bauschinger效應(yīng)(即正向屈服與反向屈服之和是單拉實(shí)驗(yàn)屈服極限的2倍)。 給

3、出的基于圖形界面(GUI)的交互式操作(step by step)過(guò)程如下： (1) 進(jìn)入ANSYS（設(shè)定工作目錄和工作文件） 程序 ANSYS ANSYS Interactive Working directory（設(shè)置工作目錄） Initial jobname（設(shè)置工作文件名）: Beams Run OK (2) 設(shè)置計(jì)算類型 ANSYS Main Menu：Preferences Structural OK (3) 設(shè)定不顯示時(shí)間 ANSYS Utility Menu：PlotCtrls Window Controls Window Options DATE：No Date or Tim

4、e OK (4) 定義單元類型 ANSYS Main Menu：Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete. Add Solid: Quad 4node 42 OK（返回到Element Types窗口） Close (5) 定義材料參數(shù) ANSYS Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic 輸入 EX: 2E4, PRXY: 0.3 (定義彈性模量及泊松比) OK 返回Define Material Model B

5、ehavior 窗口Structural NonLinear Inelastic Rate Independent Kinematic Hardening Plasticity Mises Plasticity Multilinear (Fixed table) 在Strain一行中對(duì)應(yīng)1至4號(hào)點(diǎn)輸入0.004、0.015、0.03、0.08 在Curve1中對(duì)應(yīng)1至4號(hào)點(diǎn)輸入80、160、210、280 點(diǎn)擊右下角Graph OK Close（關(guān)閉材料定義窗口），觀察窗口中的多線性彈塑性模型。(6) 構(gòu)造模型 生成關(guān)鍵點(diǎn) ANSYS Main Menu：Preprocessor Modeli

6、ng Create Keypoints In Active CS Keypoints number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0，0 Apply 同樣依次輸入其他三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（100，0，0）、（100，10，0）與（0，10，0） OK ANSYS Main Menu：Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPs 用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊1、2、3、4關(guān)鍵點(diǎn)，生成面單元。(7) 網(wǎng)格劃分 ANSYS Main Menu：Preprocessor Meshing Mesher Opts Mesher

7、Type : Mapped OK 2D Shape Key : Quad OK ANSYS Main Menu：Preprocessor Meshing size contrls ManualSize Lines Picked Lines 選擇上下兩條橫邊線，Ok NDIV 設(shè)置為20 Apply 選擇兩條豎邊線 Ok NDIV設(shè)置為8 OK ANSYS Main Menu：Preprocessor Meshing Mesh Areas Target Surf 點(diǎn)擊生成面幾何體的位置，顯示矩形面被選中 OK。(8) 模型加約束 ANSYS Main Menu: Solution Define

8、Loads Apply Structural Displacement On Lines 選取左側(cè)邊線（L4） OK select Lab2: All DOF(施加全部約束) OK(9)求解設(shè)置 ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Analysis Options 為 Large Displacement Satic，Number of substeps: 8, Max no. of substeps :25 Min no. Of substeps:2, Frequency 設(shè)置為Write N n

9、umber of substeps Where N = 10 OK (10)按照時(shí)間步施加循環(huán)載荷 ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep:1 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） OK Lab：Fy，Value：-40 OKANSYS Main Menu：Solution Solve Current

10、 LS OK ANSYS Utility Menu : Plot Replot ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep: 2 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） OK Lab：Fy，Value：0 OKANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OKANSYS

11、 Utility Menu : Plot Replot ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep: 3 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） OK Lab：Fy，Value：40 OKANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OKANSYS Utility Me

12、nu : Plot Replot ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep: 4 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） Lab：Fy，Value：0 OK ANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OKANSYS Utility Menu : Plot Repl

13、ot ANSYS Main Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep: 5 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） Lab：Fy，Value：-40 OK ANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OKANSYS Utility Menu : Plot Replot ANSYS Mai

14、n Menu : Solution Analysis Type Soln Controls 在Basic標(biāo)簽下設(shè)置Time at end of loadstep: 6 OK ANSYS Main Menu : Solution Define Loads Apply Structural Force/Moment On Nodes 選擇右側(cè)邊緣中點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)） Lab：Fy，Value：0 OKANSYS Main Menu：Solution Solve Current LS OK(11) 計(jì)算結(jié)果 ANSYS Main Menu：General Postproc Read Results L

15、ast Set ANSYS Main Menu：General Postproc Plot Results Deformed Shape Def + Undeformed OK，觀察最后變形情況，見圖1-19ANSYS Main Menu：General Postproc Plot Results Contour Plot Element solu Plastic Strain Equivalent plastic strain OK，觀察累計(jì)的等效塑性應(yīng)變ANSYS Main Menu：TimeHist Postpro 關(guān)閉彈出窗口 Define Variables Add Element Results OK 在方框中輸入2 OK 在方框中輸入4 OK 在Item，Comp Data item 中選擇 Stress, X-direction SX OK返回Define Time-History Variables Add Element Results OK 在方框中輸入2 OK 在方框中輸入4 OK 在Item，Comp Data item 中選擇 Strain-plastic, X-dirn EPPL X OK Close AN