国际科学、工程和技术创新研究杂志
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r·d·帕蒂尔1，比姆莱什·库马尔博士2
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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本文研究了在矩形板上开孔的矩形板的应力分析。为此，考虑了飞机内载荷。采用光弹性材料铸造了矩形板的光弹性模型。用实验方法中的偏光镜对穿孔板进行了测试。实验结果与有限元分析结果进行了比较
关键字 |
| 应力分析，光弹性材料，偏光镜，有限元法。 |
介绍 |
| 各种类型压力容器的结构设计所考虑的方程，主要是基于材料强度的方法。这种方法假定构件存在连续的弹性作用，应力分布在构件的任意截面上遵循数学规律。但这些假设不再有效，如果几何不连续存在于构件的截面。这种几何不连续可能以裂缝、洞或任何不同形状的切口的形式出现。这导致在整个截面上分布的应力有很大的不规则性。换句话说，大强度的应力在构件的小部分发育。因此，这些应力被称为局部应力或应力集中。 |
| 局部应力的一个例子是一个带孔的平板，它可能受到不同类型的载荷，已经开发了分析公式来找出这种情况下的应力集中效应。但是当板上有大量的孔时，问题就变得复杂了。由于其他孔的相互作用，改变了每个孔周围的应力分布。这些孔可以以均匀的图案排列，也可以任意方向排列。在这些孔中，均匀排列的孔具有实际的重要性。这样的板通常被称为管板或管板。 |
| 管板上的孔可以以三种不同的模式排列。 |
| ïÂ‑·等边三角形图案ïÂ‑·方形图案ïÂ‑·错开方形图案 |
| 在这些模式中，等效三角形排列是使用最广泛的，因为它是最有效的包装排列。该项目的主要目的是获得在单轴载荷下由等圆孔穿孔的平板的应力分布。研究中考虑了方形孔型。在任何给定的载荷类型下，应力分布随韧带效率的变化而变化。因此，本文将研究单轴加载条件下，韧带效率对应力集中系数的影响。同样，矩形板包含4 × 4的正方形孔，即共16个孔，受到单轴拉伸。被认为是 |
2用实验方法进行应力分析 |
| 实验的主要动机是支持解析和数值解。实验测定应力值最常用的方法是应变计和光弹性原理。在光弹性力学中，可以得到应力分布和高、低应力区域的全貌，从而进行更详细的应力分析。光弹性的这种优势为本论文的实验工作奠定了基础。为了在板的边缘按原理方向均匀分布载荷，即拉力，按照下列准则设计和制造了夹具。夹具的装配和细节如图1所示。图1显示了修改负载框架，安装在偏光镜。负载框架由一个功率螺钉组成，连接到板上部25毫米大小的水平方杆。在中心钻了一个直径为11毫米的孔来固定实验框架。如图所示，测压元件通过连接器1和连接器2进行安装。 The load cell was employed to measure the applied tensile force. Application of the load at connector 1 configures in point load. To have the uniformly distributed load, the linkage 4 was incorporated as shown in figure . This enabled the connector 1 to share the load into two parts of the boss plate. The applied load was transferred to the specimen in uniformly distributed way through specimen clamping plates. The clamping plates hold the specimen with the help of 10 mm diameter holes, along the edge as shown in figure 1. Welded boss on each side of plate 2 were provided to ensure proper vertical alignment. The same configuration of linkage as used in the upper edge of specimen was employed at lower edge of specimen to ensure proper fixing and loading. |
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| 实验用的是塔迪的方法。在这种方法中,偏振镜的偏振器与主应力的方向一个¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½的兴趣点和所有其他元素偏光镜的旋转相对于偏振镜,这样一个标准的暗场偏光镜的存在。然后单独旋转分析仪以获得消光。分析仪的旋转给出分数条纹顺序。如果低阶条纹必须移动到该点，则将该分数与低阶条纹数相加。结果表明了兴趣点的分数阶边缘顺序。 |
| 分析仪和偏振器保持在交叉位置，即暗场设置。逐渐加载模型，观察条纹生长情况。分数条纹阶数采用Tardy补偿法测量。图2显示了矩形板在单轴拉伸下产生的条纹。找出最大应力的程序如下 |
| 1.采用圆盘试样作为标定模型，得到材料条纹值，每个板的条纹值约为11 N/mm2。 |
| 2.然后在试样上标记兴趣点，并将板连接到夹具上进行加载。 |
| 3.将设计好的拉伸夹具与试样一起安装在偏光镜上，通过螺杆施加拉伸力。 |
| 4.在兴趣点采用Tardy补偿法确定了主应力方向和精确的边缘顺序 |
| 5.在这种情况下，感兴趣的点位于洞边界上，在该边界上ï ³2 = 0和ï ³1的值由公式确定 |
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3有限元法应力分析 |
| 本节说明了利用有限元方法进行数值计算，找出板内的应力集中。对包含4 × 4方形孔和对角线孔共计16个孔的矩形板进行了模拟，并进行了单轴受力。在实际实验中，将所得结果以曲线形式绘制出来，以供验证。用ANSYS程序计算得到的SCF值与各研究人员得到的SCF值一致。采用ANSYS 13.0的结构分析模块，采用静力(P)法进行分析。在这些情况下选择静态(P)方法，因为它使用大尺寸和更强大的元素，使用高达8阶的形状函数。此外，元素相对不受扭曲和过度形状变化的影响。平面加载问题均采用八节点等参四边形单元进行网格划分。除了角节点外，该元素还有4个中型节点。因此，本文分析发现该元素更适合于圆孔等曲面边界的建模。 |
| 首先对矩形板上4 × 4孔在单轴拉伸作用下进行了分析。由于几何和荷载的对称性，只对四分之一的板进行了建模。图3显示了模型四分之一部分的板几何和加载。对于每个定义的小区域，都指定元素大小为3。这导致区域的每一侧都有三个分区，因此每个区域有9个元素。然后利用ANSYS程序中内置的网格划分工具进行网格划分。在孔的边界周围和模型的左下角使用了更细的网格(即较小的元素尺寸)。图4显示了为板模型生成的网格，其中详细说明了用于分析的元素和节点的数量。边界条件:X轴,一个¯害怕½¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½≠0,害怕和¯½¯一个害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½= 0。为Y轴,¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½= 0,害怕和¯½¯一个害怕一个½¯害怕一个½¯害怕一个½≠0,使用的模型。 |
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| 对孔型为方形的矩形板进行了不同孔直径模型的单轴拉伸试验，结果如表1至表4所示。在这些表中，用实验方法得到的带有方孔的矩形板的SCF值与用ANSYS程序有限元法得到的理论SCF值进行了比较。图5到8显示了相同的图形表示。采用实验法和有限元法得到的矩形孔型板的最大应力如表5所示。图(9)显示了表5中单轴张力值下的SCF最大值与韧带效率的关系图。 |
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四。结论 |
| 将实验结果与有限元分析结果进行比较，发现实验值与有限元分析结果的变化百分比远低于10%。实验值与有限元计算的SCF值存在差异，原因如下: |
| 施加在模型上的荷载可能不均匀地分布在模型的整个横截面上。由于加载架的上下夹板不对中，可能会导致一些弯曲。 |
| a)尽管在模型的制造中非常小心，但在模型中可能会产生少量的加工应力，从而改变模型中的条纹图案。 |
| b)通过将条纹颜色与色表或色表比较来测量条纹顺序。因此，有可能误解边缘秩序。 |
| c)加载架的枢轴处存在大量摩擦。 |
| 由于加载框架的限制，只能测试单轴拉伸的矩形板模型。尽管不同的工作者已经提出了计算带孔管板最大应力的解析公式。然而，随着孔数的增加，孔内应力的相互作用给该方法的应用带来了困难。因此，本文所采用的有限元法和实验法可以正确地分析管板的应力分布，可以找出管板中的最大应力。 |
参考文献 |
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