平板孔口应力集中的数值模拟及理论分析

    0引言

    在金属结构设计中，常常会根据需要在工件上加工出一定直径的圆孔，由于孔口的存在势必会破坏金属材料的连续性，将会引起主应力弯曲绕行，应力作用线在孔边密集弯曲，造成局部应力增大的现象，这就是材料力学中常见的应力集中现象。应力集中的存在会使材料的脆性加大，构件的强度降低，尤其会严重影响交变应力下构件的持久疲劳极限。因此利用现代计算机技术数值模拟分析带圆孔平板受力工况这一非线性问题，对实际生产有着很直观的效果和指导意义。

    1建立有限元分析模型及前处理

    （1）问题简化

    为了便于分析，结合工程应用的实际情况，可以将此类问题简化为带孔的二维承载钢板，设钢板的材料为韧性较好的Q345，长为60 mm，宽为40 mm，厚度10 mm受均布载荷q=35 MPa，钢板在几何中心处有1个准12 m的圆孔。

    （2）有限元软件ADINAADINA是美国

    ADINA R&D公司开发的一款大型商用专业有限元求解软件，专注求解流体动力学、结构动力学、流体与结构耦合、热-机械耦合等复杂的线性与非线性多场耦合分析。具有友好的用户交互界面，强大的并行计算功能，多种网格自动划分技术；允许用户二次开发，自定义材料本构关系、破坏准则；还为用户提供了迭代法、载荷增量法和混合法等非线性结构计算方法。已广泛应用于众多工程领域的计算机数值仿真，包括机械工程、船舶海洋、航空航天、土木工程、国防军工、生物医学以及科学研究等领域。较强的程序求解能力、较高的可靠性和求解效率，使ADINA已经成为工程科研领域中最强大的非线性求解软件。

    （3）建模分析

    必然会加大有限元分析的计算量，降低效率。根据简化的工程模型，该几何建模比较规则，可以在ADINA-AUI下直接定义二维几何模型，方便快捷，不仅可以获得较高的精度和效率，还避免了数据导入的丢失现象。

    （4）    有限元前处理参数设置

    按照简化的模型在ADINA环境下定义相关的点、线、面要素，建立有限元模型。整个建模由内环线和外环线构成的二维片实体；材料Q345钢，设置为弹性材料，弹性模量210 GPa （在对话框内键入2.1E5），泊松比设置为0.25；设置下底边为Z向约束，左下顶点为固定点；定义均布载荷q=35 MPa；划分网格，定义网格类型为二维实体下的节点二次曲边四边形，孔口附近网格要细分，大小为他地方的1/2，以便于提高计算效率和精度。最终前处理结果和坐标系如图1所示，保存为*.dat类型的入数据文件，运行ADINA求解，生成*.ibd数据库文件和*.por格式的结果文件。