几何非线性与屈曲分析

ansys workbench非线性屈曲分析(2013-08-26 21:26:29)转载▼标签：ansys很多旋转受压结构必须进行屈曲分析，常规结构屈曲分析软件有nastran、abaqus和ansys，nastran对线性大型模型分析效率较高；abaqus屈曲分析使用较少；ansys使用比较频繁，其快速建模，与CAD软件的良好借口及有限元模型前处理的便捷性（WB界面）很有吸引力，屈曲分析功能较为完善，可以进行线性、非线性和后屈曲分析。

ansys学习资料中介绍较多的是线性屈曲分析。

线性屈曲分析在工业实际中预测的值偏高，有的甚至超过实际实验测试值的几十倍，线性分析唯一优势是其分析速度较快。

但在实际中其预测值参考价值不大，仅给定结构屈曲失效的上限值。

非线性屈曲分析考虑其他因素，包括结构加工缺陷（几何），材料非线性等，因此较为接近实际情况，但计算耗时较长。

针对最艰难学习情况归纳总结非线性屈曲分析时技术要点及应注意事项。

对于规则旋转壳，承受外压载荷作用，进行非线性屈曲分析时，必须加上几何缺陷，关键步是添加APDL语句/prep7upgeom,0.1,1,1,file,rstcdwrite,db,file,cdb/solu该步引入屈曲模态情况下的几何缺陷，缺陷为屈曲模态变形相对值的0.1倍，该值可以根据实际加工水平等其他条件确定，上述语句保存在txt文档中，在workbench流程APDL模块调用。

分析详细流程为，static structure模块导入几何，施加载荷和边界条件，分析求解，将linear buckling拖入流程中，共享static structure模块数据，进行线性屈曲模块分析，Mechanial APDL模块调用屈曲分析结果，并调入（addinput）上面内含几何缺陷命令语句命令的txt文件，更新，将Mechanical结果导入Finite Element modeler模块，更新，此时在缺陷附近的单元节点位置发生改变。

屈曲分析
问题概述：
一个可靠的产品设计，不仅强度要满足设计要求，而且结构要有足够 的刚度来保证产品性能。现代电子产品（其他产品也一样）已经越来越小， 电子元件之间的空隙非常狭小，在刚度不够的情况下往往导致零部件之间 的干涉。例如，手机从高处坠落，有可能会出现摔坏的情况，这可能是因 为外壳变形过大破坏了内部结构。通常，运行一个静态分析就可以得到结 构在载荷作用下的变形。在某些结构，如承受压应力的部件，在压力载荷 到达一定程度以后会发生于静态分析相比大的多的不可思议的变形，这就 是由于结构已经在这一载荷作用下发生了失稳，这时就需要稳定性分析即 屈曲分析。 实际上结构发生失稳也是由于应力刚度矩阵在影响，应力刚度矩阵可 以加强或减弱结构刚度，这与应力是拉应力还是压应力有关。正如前面计 算出的结果一样，拉应力会使结构的横向刚度增强；结构受压时，会导致 结构的刚度减弱，当压力越来越大时，刚度弱化超出了结构固有的刚度， 结构就表现的很脆弱，位移急剧增大，发生屈曲。

半径i的数值就能使 减小。可见，如果不增加截面面积，尽可能的把材料放在离截 面形心较远处以取得较大的I和i值，就能提高临界应力。
改进措施：在相同截面积下，将杆的结构改为空心杆，截面见图1.其余 各项设置与实心杆相同，计算出的BLF值和实心杆的BLF对比，见图2，失稳 临界载荷因子有明显提高，说明上述分析是正确的。
图1 空心杆截面图
图2 实心杆与空心杆BLF值对比
屈曲分析示例
一端固定一端自由的薄壁圆筒屈曲模态振型
屈曲分析示例
细长圆杆失稳分析及改进
细长圆杆如下图，直径15mm，长200mm，一端固定，一端自由，且受 到100N的压力作用，进行失稳分析并改进。
圆杆三维模型
各阶失稳临界载荷因子（BLF） 失稳的屈曲模态振型（10阶）

1．线性屈曲特征值屈曲分析属于线性分析，它对结构临界失稳力的预测往往要高于结构实际的临界失稳力，特载值分析得到的是第一类稳定问题的解，只能得到屈曲荷载和相应的失稳模态，它的优点就是分析简单，计算速度快。

事实上在实际工程中应用还是比较多的，比如分析大型结构的温度荷载，而且钢结构设计手册中的很多结果都是基于特征值分析的结果，例如钢梁稳定计算的稳定系数，框架柱的计算长度等。

它的缺点主要是：不能得到屈曲后路径，不能考虑初始缺陷如初始的变形和应力状态，不能考虑材料的非线性。

但特征值屈曲分析作为非线性屈曲分析的初步评估作用是非常有用的。

特征值屈曲分析所预测的结果我们只取最小的第一阶，所以你所得出的特征值临界失稳力的大小应为F＝实际施加力*第一价频率。

2. 非线性屈曲非线性屈曲分析的第一步最好进行特征值屈曲分析，特征值屈曲分析能够预测临界失稳力的大致所在，因此在做非线性屈曲分析时所加力的大小便有了依据。

由于非线性屈曲分析要求结构是不“完善”的，比如一个细长杆，一端固定，一端施加轴向压力。

若次细长杆在初始时没有发生轻微的侧向弯曲，或者侧向施加一微小力使其发生轻微的侧向挠动。

那么非线性屈曲分析是没有办法完成的，为了使结构变得不完善，你可以在侧向施加一微小力。

这里由于前面做了特征值屈曲分析，所以你可以取第一阶振型的变形结果，并作一下变形缩放，不使初始变形过于严重，上步完成后，加载计算所得的临界失稳力，打开大变形选项开关，采用弧长法计算，设置好子步数，计算。

后处理，主要是看节点位移和节点反作用力（力矩）的变化关系，找出节点位移突变时反作用力的大小，然后进行必要的分析处理。

非线性分析比较好的是能够得到结构和构件的屈曲后特性，可以考虑初始缺陷还有材料的非线性包括边界的非线性性能。

但是在分析的时候最好是在线性特征值的基础上，因为这种方法的结果依赖所加的初始缺陷，如果所加的几何缺陷不是最低阶，可能得到高阶的失稳模态。

当结构的变形相对杆件长度已不能忽略时，为了在结构变形后的形状上建立平衡，并考虑初始缺陷对结构屈曲承载力的影响，必须对结构进行基于大挠度理论的非线性屈曲分析。

在midas中可以这样处理：对于索结构或张悬梁结构中，定义的只受拉索单元并不能进行特征值分析，因为其只能定义在几何非线性分析中。

如要进行特征值分析，那么要将只受拉索单元转换为只受拉桁架单元。

先对该结构进行几何非线性，得出自重作用下的初始索力，然后将索单元定义为只受拉桁架单元，将计算所得的索力按初始荷载加到单元中：荷载－>初始荷载－>小位移－>初始单元内力加入张力。

1、问：在MIDAS 中如何计算自重作用下活荷载的稳定系数(屈曲分析安全系数)?答：稳定分析又叫屈曲分析，所谓的荷载安全系数(临界荷载系数)均是对应于某种荷载工况或荷载组合的。

例如：当有自重W 和集中活荷载P 作用时，屈曲分析结果临界荷载系数为10 的话，表示在10*(W+P)大小的荷载作用下结构可能发生屈曲。

但这也许并不是我们想要的结果。

我们想知道的是在自重(或自重+二期恒载)存在的情况下，多大的活荷载作用下会发生失稳，即想知道W+Scale*P 中的Scale 值。

我们推荐下列反复计算的方法。

步骤一：先按W+P 计算屈曲分析，如果得到临街荷载系数S1。

步骤二：按W+S1*P 计算屈曲，得临界荷载系数S2。

步骤二：按W+S1*S2*P 计算屈曲，得临界荷载系数S3。

重复上述步骤，直到临街荷载系数接近于1.0，此时的S1*S2*S3*Sn 即为活荷载的最终临界荷载系数。

(参见下图)midas官方网站的说话，供大家参考：考虑几何非线性同时进行稳定分析可以实现。

方法如下：1、将进行稳定分析所用荷载定义在一个荷载工况下；2、定义非线性分析控制，选择几何非线性，在非线性分析荷载工况中添加此荷载工况，并对其定义加载步骤；3、分析；4、查看结果中的阶段步骤时程图表，查找变形发生突变的位置点，及加载系数，即可推知发生失稳的极限荷载。