MEMS悬臂梁仿真与分析带图.docx

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MEMS悬臂梁仿真与分析带图

悬臂梁在循环加载作用下的弹塑性计算（GUI）

一、问题描述：

一个左端固定的悬臂梁见图1-1（a），厚度为1cm,在它的右段中点上施加有一个集中力，该集中力为循环载荷见图1-1（b），悬臂梁的材料为多线性弹性材料，材料的弹性模量为20000，实验获得的该材料的非线性应力-应变行为见表1-2，分析该悬臂梁在循环载荷作用下的观测点P的水平方向上的应力应变历程。

（a）悬臂梁以及加载位置（cm）（b）所受的循环载荷（N）

图1-1一个悬臂梁以及加载历程

表1-2〉材料的应力-应变行为实验数据

二、问题分析解答：

为考察悬臂梁根部P点的应力-应变历程，采用2D的计算模型，使用平面单元PLANE42，材料采用多线性弹塑性模型（mkin），进行循环加载过程的分析。

建模的要点如下：

设置几何以及材料参数，

输入材料的多线性弹塑性模型（包括：

弹性模量、屈服极限）；

通过设置time来给出加载历程，每次加载都输入当时的状态载荷值，不是增量加载，每次加载后，必须进行计算，再进入下一步的计算；

在时间后处理中，通过设置几何位置来查询对应的P观测点的节点编号，并设置观测点的应力显示变量（2号变量）以及塑性应变为显示变量（3号变量），最后将3号变量设置为横轴，画出2号变量随3号变量的变化曲线见，可以看出，该材料具有非常明显的Bauschinger效应（即正向屈服与反向屈服之和是单拉实验屈服极限的2倍）。

给出的基于图形界面（GUI）的交互式操作（stepbystep）过程如下：

（1）进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）

程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory（设置工作目录）→Initialjobname（设置工作文件名）:

Beams→Run→OK

（2）设置计算类型

ANSYSMainMenu：

Preferences…→Structural→OK

（3）设定不显示时间

ANSYSUtilityMenu：

PlotCtrls→WindowControls→WindowOptions…→DATE：

NoDateorTime→OK

（4）定义单元类型

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Solid:

Quad4node42→OK（返回到ElementTypes窗口）→Close

（5）定义材料参数

ANSYSMainMenu:

Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→输入EX:

2E4,PRXY:

0.3（定义弹性模量及泊松比）→OK→返回DefineMaterialModelBehavior窗口Structural→NonLinear→Inelastic→RateIndependent→KinematicHardeningPlasticity→MisesPlasticity→Multilinear（Fixedtable）→在Strain一行中对应1至4号点输入0.004、0.015、0.03、0.08→在Curve1中对应1至4号点输入80、160、210、280→点击右下角Graph→OK→Close（关闭材料定义窗口），观察窗口中的多线性弹塑性模型。

（6）构造模型

生成关键点

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→Keypointsnumber：

1，X，Y，ZLocationinactiveCS：

0，0，0→Apply→同样依次输入其他三个关键点（100，0，0）、（100，10，0）与（0，10，0）→OK

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ThroughKPs→用鼠标依次点击1、2、3、4关键点，生成面单元。

（7）网格划分

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Meshing→MesherOpts→MesherType:

Mapped→OK→2DShapeKey:

Quad→OK

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Meshing→sizecontrls→ManualSize→Lines→PickedLines→选择上下两条横边线，Ok→NDIV设置为20→Apply→选择两条竖边线→Ok→NDIV设置为8→OK

ANSYSMainMenu：

Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→TargetSurf→点击生成面几何体的位置，显示矩形面被选中→OK。

（8）模型加约束

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→DisplacementOnLines→选取左侧边线（L4）→OK→selectLab2:

AllDOF（施加全部约束）→OK

（9）求解设置

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置AnalysisOptions为LargeDisplacementSatic，Numberofsubsteps:

8,Maxno.ofsubsteps:

25Minno.Ofsubsteps:

2,Frequency设置为WriteNnumberofsubstepsWhereN=10→OK

（10）按照时间步施加循环载荷

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

1→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→OK→Lab：

Fy，Value：

-40→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

ANSYSUtilityMenu:

Plot→Replot

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

2→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→OK→Lab：

Fy，Value：

0→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

ANSYSUtilityMenu:

Plot→Replot

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

3→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→OK→Lab：

Fy，Value：

40→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

ANSYSUtilityMenu:

Plot→Replot

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

4→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→Lab：

Fy，Value：

0→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

ANSYSUtilityMenu:

Plot→Replot

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

5→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→Lab：

Fy，Value：

-40→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

ANSYSUtilityMenu:

Plot→Replot

ANSYSMainMenu:

Solution→AnalysisType→Sol’nControls→在Basic标签下设置Timeatendofloadstep:

6→OK

ANSYSMainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→OnNodes→选择右侧边缘中点（26号节点）→Lab：

Fy，Value：

0→OK

ANSYSMainMenu：

Solution→Solve→CurrentLS→OK

（11）计算结果

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→ReadResults→LastSet

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape→Def+Undeformed→

OK，观察最后变形情况，见图1-19

ANSYSMainMenu：

GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→Elementsolu→Plastic

Strain→Equivalentplasticstrain→OK，观察累计的等效塑性应变

ANSYSMainMenu：

TimeHistPostpro→关闭弹出窗口→DefineVariables→Add…→ElementResults→OK在方框中输入2→OK在方框中输入4→OK→在Item，CompDataitem中选择Stress,X-directionSX→OK返回DefineTime-HistoryVariables→Add…→ElementResults→OK在方框中输入2→OK在方框中输入4→OK→在Item，CompDataitem中选择Strain-plastic,X-dir’nEPPLX→OK→Close

ANSYSMainMenu：

TimeHistPostpro→关闭弹出窗口→Settings→Graph→SingleVariableNo.输入3→OK

ANSYSMainMenu：

TimeHistPostpro→关闭弹出窗口→GraphVariables→Nvar1中输入2→OK观察观测点P上的应力应变历程（SX）

ANSYSUtilityMenu：

File→Exit→SaveEverything→OK

三、ANSYS分析结果：

静态位移分析图：

静态压力分析图：

动态分析图：