基于ABAQUS的纯弯曲梁正应力实验模拟

    0 引言

    纯弯曲梁横截面上正应力分布实验是材料力学的一个重要的实验，旨在让学生理解和掌握纯弯曲梁横截面上正应力的分布规律及验证正应力计算公式。实验室一般采用蜗杆加力机构施加载荷使梁发生纯弯曲，通过应变仪读出贴在梁纯弯曲段不同高度处的应变片的应变值，再利用公式σ=Eε计算出该点的应力值，实验台简图如图1所示。由于应变仪是精密仪器很容易受到外界因素干扰影响测量结果，随着使用年限的增加一些指标逐渐呈现不理想状态，如实验精度：误差率常在10% 以上，有时高达15%，甚至20%以上[1]，学生在实验中操作不当也会损坏设备，造成维护成本过高。ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和广泛的模拟性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程[2,3]，能够方便的模拟力学实验。

    1 ABAQUS简介

    ABAQUS作为国际上最先进的大型通用有限元软件之一，具有惊人的广泛的模拟性能。其庞大的求解功能，以及非线性力学分析能力均达到世界领先水平。ABAQUS拥有大量不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等。无论是分析一个简单的线性问题，还是一个包括几种不同材料、承受复杂的机械和热载荷过程以及变化接触条件的非线性组合问题，应用该软件计算分析都会得到令人满意的结果[4]。由于ABAQUS优秀的分析能力、求解能力和模拟复杂系统的可靠性，使得ABAQUS被广泛应用于世界各国的工业生产和研究设计中。ABAQUS软件还在大量的高科技产品研究中发挥着巨大的作用[5]。

    2 ABAQUS实验模拟

    A B A Q U S / C A E ( C o m p l e t e A B A Q U SEnvironment) 是ABAQUS 的交互式图形环境，可以用来方便快捷地构造模型，为部件定义材料特性、载荷、边界条件等模型参数。ABAQUS/CAE 具有强大的网格划分功能，并可检验所构造的分析模型，提交、监视和控制分析作业，然后使用后处理模块来显示分析结果[6,7]。本模拟实验以实验室XL3418材料力学多功能实验台为模型进行建模。

    2.1 进入Part模块，创建三维实验模型

    创建一个名称为beam，横截面为20×40，长度为630的矩形等截面直梁。进入二维环境绘制20×40的矩形截面，设置拉伸长度为630，拉伸后生成的三维直梁；在距离梁两端135处，建立两个基准面Datum Plane-1和Datum Plane-2，为便于施加载荷并以这两个基准面将梁分区，完成后如图2所示。

    2.2 进入Property模块，创建材料和截面属性

    在材料名称中输入steel，键入杨氏模量数值210GPa和泊松比0.3。创建截面属性并将截面属性赋予梁部件。