基于ANSYS对压杆稳定性的分析及验证

由天下分享时间：2025/3/21 23:34:57 加入收藏我要投稿点赞

基于ANSYS对压杆稳定性的分析及验证

冯超

【摘要】在实际工程中，当杆件承受的压力超过某一数值后，在外界扰动下很容易发生弯曲变形，从而造成压杆的稳定失效进而影响其功能。利用有限元软件对受压杆件的稳定性进行分析，并对其临界载荷进行了ANSYS验证，从而为受压杆件的设计提供依据。【期刊名称】技术与市场【年(卷),期】2019(026)001 【总页数】4

【关键词】弯曲变形；稳定性；临界载荷； ANSYS

0 引言

随着人类在实践中的不断探索，发现工程中有些杆件虽然具有很高的强度和刚度，但当压力过大时也会因零件失去稳定使其不能正常工作，甚至发生事故，加拿大的魁北克大桥便是其中1例。此外，在进行杆件设计时，纯粹的理论计算和分析并不是十分精确。因此，如何通过精确的计算方法进行压杆稳定性分析设计，成为现代设计者不断探索的方向。

ANSYS 是集中结构力学、流体力学、静力学等分析于一体的有限元分析软件。ANSYS有限元分析主要包含：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析3个步骤[1]。借助ANSYS软件结合相关参数进行杆件数值仿真，直观且精确的计算出杆件应力、应变和变形随压力的变化关系。因此本文借助CAE分析软件，基于材料力学基本理论对压杆稳定性进行分析。

1 压杆稳定的理论知识

与强度、刚度问题一样，压杆稳定性问题在机械工程及其零部件设计中也是必须考虑的因素，当轴向压力过大时，对于杆件来说极易发生杆件失稳，这里只研究不同杆端约束下细长压杆杆件失稳时的临界压力问题[2]。 1.1 临界压力Fcr

将一竖直力F施加在杆件上，再施加一横向力P，使杆件在力的作用下转动。如果力F不大，则杆可以保持平衡状态，若撤去横向力P后，杆件将还原到原来的直线状态，这就是稳定平衡。而不稳定平衡指的是当力F过大，超过一个特定值F1时，且横向力P不再作用，则杆发生弯曲变形，且不再恢复。而F1就是杆件即将由稳定平衡到不稳定平衡的临界力 1.2 临界压力表达式

杆件受压时，当轴向压力F达到临界力Fcr时，压杆将不再保持稳定平衡状态，使之呈现出微弯状态，利用欧拉公式有：式中μ为长度因数，具体取值如表1所示：

根据欧拉公式可得，临界压力Fcr只与材料的抗弯刚度EI、杆件长度L有关。 1.3 欧拉公式的适用范围

欧拉公式是由挠曲线方程推导而来，而挠曲线微分方程适用于小变形、线弹性条件下，因此欧拉公式使用也需要前提条件。

定义杆件的柔度λ，其表示压杆的细长程度，计算公式为：因此杆件通过计算其柔度大小确定压杆类型。

当λ≥λp，压杆类型为细长压杆，也叫大柔度杆。

当λ<λp，压杆类型为非细长压杆，包括中柔度杆和小柔度杆。

如图1所示，工程中不同的压杆类型对应于不同的临界应力计算公式，欧拉公

式适用于细长压杆的情况。

2 ANSYS有限元分析应用

现有一结构钢材料，长度L=800 mm，截面为直径D=20 mm的圆截面，临界柔度λp=102，通过不同杆端约束下，理论计算其临界载荷，并利用有限元分析软件对其进行验证，对比压杆的临界压力。

该元件主要参数：材料密度ρ=7 850 kg/m3，材料的弹性模量E=200 GPa，环境温度选用22℃，泊松比σ=0.3。通过计算可得，圆形实心截面的惯性矩：惯性半径：材料的柔度：

对于不同杆端约束的压杆，μ取值不同，此时计算λi，如表2所示。