基于NASTRAN不同孔邊距對孔邊應(yīng)力集中的影響

姚建成

摘要：為了研究不同孔邊距的孔邊應(yīng)力集中情況，利用NASTRAN建立多組有限元模型，分析了不同孔邊距情況下孔邊的最大應(yīng)力，給出了應(yīng)力集中系數(shù)與孔邊距之間的對應(yīng)曲線，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度分析提供參考。

關(guān)鍵詞：孔邊距，應(yīng)力集中，有限元

The influences of different hole margins on hole-edge stress concentration based on NASTRAN

Yao Jiancheng

ABSTRACTIn order to study the stress concentration of hole edge with different hole margins， NASTRAN was used to establish multiple finite element models， and the maximum stress of hole edge with different hole margins was analyzed. The corresponding curve between stress concentration coefficient and hole margins was given， providing reference for structural design and strength analysis.

Key words： hole margin， stress concentration， finite element

1 引言

在工程設(shè)計中，為滿足實(shí)際需求，會對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行開孔。孔邊最小截面處是整個結(jié)構(gòu)的危險截面，疲勞破壞常常起始于該處[1]，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞分析時，確定分析部位的應(yīng)力集中系數(shù)是必要的一項工作。在彈性力學(xué)中我們知道，無限大板寬的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)為3[2]。在實(shí)際結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)無限大孔邊距，因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計中，不能簡單的使用3倍平均應(yīng)力對孔邊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。而在有限元建模過程中如果將孔全部仿真出來會對建模工作帶來很大的困難。為方便強(qiáng)度計算，在有限元建模時可以忽略孔的存在，利用應(yīng)力集中系數(shù)對孔邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。因此本文對有限孔邊距板的應(yīng)力集中進(jìn)行了分析和研究。

2 有限元計算

根據(jù)圖1所示幾何結(jié)構(gòu)，針對d的不同取值建立不同的有限元模型。模型一端約束，另一端施加均布載荷，典型有限元模型示意圖如圖2。對應(yīng)力集中分析，只要單元劃分的足夠細(xì)，具有很高的精度[3]。

3 有限元計算結(jié)果

應(yīng)力計算云圖如圖3所示，不同孔邊距應(yīng)力集中系數(shù)見表1，應(yīng)力集中系數(shù)——孔邊距曲線見圖4。

4 結(jié)論

本文對不同孔邊距薄板進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，通過對計算結(jié)構(gòu)的分析得到以下結(jié)論：

（1）隨著孔邊距的變大，孔邊應(yīng)力集中系數(shù)無限接近于3，與無限大平板孔邊應(yīng)力集中系數(shù)的理論值一致，說明有限元模型和應(yīng)力分析結(jié)果是合理的。

（2）孔邊距小于1.5D時，應(yīng)力集中系數(shù)急劇增加，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)保證孔邊距不小于1.5D。

（3）按有限元計算結(jié)果得到的應(yīng)力集中系數(shù)——孔邊距曲線，可為帶圓孔薄板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜杰鳳，董輝躍，柯映林.高鎖螺栓干涉連接中極限干涉量[J].機(jī)械工程學(xué)報，2013，49（3）：145-152.

[2] 徐芝綸. 彈性力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1982.

[3] 閆思江，曾顯波，李凡國，陳春光.圓孔孔邊的應(yīng)力集中分析及優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（6）：68-70.