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【有限元分析】聖維南原理

筆者在ANSYS WORKBENCH裡做了一組簡單的有限元分析,以說明一下聖維南原理。

聖維南原理的表述為:分佈於彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力,在離荷載作用區稍遠的地方,基本上只同荷載的合力和合力矩有關;荷載的具體分佈隻影響荷載作用區附近的應力分佈。故對一個結構件施加兩種等效載荷,在遠離載荷施加區域的部分,應力分佈應該是十分接近的。

現研究一個矩形截面的杆件(如圖1.1),對其末端施加兩種等效的載荷:在末端面施加100N+100N的力;在末端面面施加150N+50N的力;如圖1.2和1.3所示,這兩種載荷等效於在端面施加了200N的力,觀察杆件的應力分佈圖和應力大小是否是十分接近。
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圖1.1 杆件

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圖1.2 施加的100N+100N載荷

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圖1.3 施加的150N+50N載荷

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圖1.4 兩種載荷下的計算結果

結果如圖1.4所示,可以看到杆件的根部端面的應力分佈雲圖圖案十分類似。

另外,還分析杆件兩條路徑上的線性應力分佈,分別是中心線和邊緣中心線,如下圖1.5所示。
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圖1.5 兩個路徑示意圖

應力大小分佈曲線如下圖1.6所示。
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圖1.6 應力大小和分佈示意圖

可以看出,相同路徑上雖然載荷不一樣,但是應力的分佈規律和應力大小是幾乎一致的。

綜上即可理解聖維南原理。