非线性屈曲分析

一.问题描述在钢结构中，受压杆件一般在其达到极限承载力前就会丧失稳定性，所以失稳是钢结构最为突出的问题。

压杆整体失稳形式可以是弯曲、扭转和弯扭。

钢构件在轴心压力作用下，弯曲失稳是常见的失稳形式。

而影响轴心受压构件整体稳定性的主要因素为纵向残余应力、初始弯曲、荷载初偏心及端部约束条件等。

实际的轴心受压构件往往会存在上述的一种或多种缺陷，导致构件的稳定承载力降低。

本文主要针对任意轴对称的圆形钢管截面，利用ABAQUS有限元非线性分析软件，对其在轴心受压情况下进行特征值屈曲分析和静态及动态的非线性屈曲分析（考虑材料弹塑性和初始缺陷的影响）。

通过考虑材料非线性、几何非线性并引入初弯曲，得出构件发生弯曲失稳的极限荷载,并且由弯曲失稳的临界荷载得出的构件荷载位移曲线。

同时再进行非线性分析时，需要施加初始扰动，以帮助非线性分析时失稳，可以通过特征值屈曲分析得到的初始弯曲模态来定义初始缺陷；最后由可以将特征值屈曲分析得到的临界荷载作为非线性屈曲分析时所施加荷载的参考。

二.结构模型用ABAQUS中的壳单元建立轴心受压模型，采用SI国际单位制（m）。

1.构件的材料特性： E=2.0×1011N m2,μ=0.3, f y=2.35×108N m2，ρ=7800kg m3，钢管半径：60mm，厚度：3mm，长度：2.5m。

2.钢管的截面尺寸及钢管受到的约束和荷载施加的模型图如图2-1及图2-2所示。

图2-1 图2-2三.建模步骤（Buckle分析）（1）创建部件在创建part模块中命名构件的名字为gang guan，创建的模型为三维可变形壳体单元，如图3-1所示。

截面参数见图2-1，构件长度2.5m。

图3-1（2）创建材料特性及截面属性并将其赋予单元。

材料定义为弹塑性，弹性模量E=2.0×1011N m2，泊松比0.3，屈服强度2.35×108N m2，ρ=7800kg m3，材料定义如下图3-2所示。

屈曲分析常用方法屈曲（buckling）是指当一个长、细的构件受到压缩力作用时，由于其固有的弯曲刚度过小而导致的失稳现象。

屈曲分析是在结构设计和分析中非常重要的一部分，它能够帮助工程师预测和控制结构在压缩力下的稳定性。

本文将介绍常用的屈曲分析方法。

一、线性弹性屈曲分析方法线性弹性屈曲分析是结构工程中最为常用的方法之一。

它基于线弹性理论，在计算建筑物或其他结构在受压力作用下的屈曲承载能力时非常准确。

采用这种方法时，首先需要定义结构的材料特性和截面形状，然后利用弹性力学理论计算结构的屈曲载荷和屈曲形态。

线性弹性屈曲分析方法的优点是计算简便、准确度高，适用于大部分结构。

二、非线性屈曲分析方法非线性屈曲分析方法更为复杂，它考虑到了材料和结构在屈曲承载能力附近的非线性行为。

这种方法适用于材料有一定塑性变形能力的情况，比如钢材等。

相比于线性弹性屈曲分析方法，非线性屈曲分析方法考虑了材料的刚度退化和强度减小等因素，能够更准确地描述结构在失稳时的行为。

三、有限元分析方法有限元分析方法是一种数值分析方法，它将结构划分为有限数量的单元，通过求解每个单元的力学方程和应变方程来获得结构的整体响应。

在屈曲分析中，有限元分析方法可以采用线性或非线性模型，通过迭代计算得到结构的屈曲载荷和屈曲形态。

有限元分析方法灵活度高，适用于复杂结构的屈曲分析，但需要借助计算机进行计算，计算量较大。

四、实验方法在某些情况下，为了确保对结构的屈曲行为有一个准确的判断，工程师会采用实验方法进行验证。

实验方法可以通过对试验模型施加压缩力并观察其稳定性来判断结构的屈曲承载能力。

这种方法对于复杂结构或者对特殊情况下的屈曲行为有较好的应用效果。

综上所述，屈曲分析的常用方法包括线性弹性分析方法、非线性分析方法、有限元分析方法和实验方法。

工程师可以根据具体的结构情况选择合适的分析方法，预测和控制结构在压缩力下的稳定性，从而保证工程的安全和可靠性。

屈曲（失稳）征值屈曲分析与非线性屈曲分析：很多现有的ANSYS资料都对特征值屈曲分析进行了较为详细的解释，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，因此在实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析。

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。

以下是我经过多次计算得出的一些分析经验，欢迎批评。

1.  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。

特征值屈曲分析想必大家都熟练的不行了，所以小弟不再罗嗦。

小弟只说明一点，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.  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，这步可以在Main Menu> Preprocessor> Modeling> Update Geom中完成。

3.  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。

4.  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。

屈曲的特征理解：当结构轴向（梁，板，壳）承受压缩载荷作用时，若压缩载荷在临界载荷以内，给结构一个横向干扰，结构就会发生挠曲，但当这个横向载荷消除时，结构还会恢复到原有的平衡状态，此时杆的直的形式的弹性平衡是稳定的。

文章编号:100926825(2007)0820092202圆孔蜂窝钢梁非线性屈曲有限元分析收稿日期:2006210213作者简介邵明强(2),男,助理工程师,河南华铁建筑工程有限公司,河南郑州　55胡志海(82),男,中南大学土木建筑学院硕士研究生,湖南长沙　5阮祥炬(2),男,硕士,助理工程师,中南建筑设计院,湖北武汉　3邵明强　胡志海　阮祥炬摘　要:采用有限元分析软件ANS Y S ,对圆孔蜂窝钢梁进行非线性屈曲分析,探讨了几何非线性和材料非线性对非线性屈曲抗弯承载力的影响,从而为进一步研究圆形蜂窝梁提供了参考。

关键词:圆孔蜂窝钢梁,非线性屈曲,抗弯承载力中图分类号:TU375.1文献标识码:A引言蜂窝钢梁是将宽翼缘工字钢(或H 型钢)或普通工字钢按一定的折线或圆弧线切割后错位焊接而成的空腹钢梁。

虽然国内外学者对蜂窝钢梁已进行了一些研究,但大多仅限于弹性分析。

部分学者对蜂窝钢梁非线性的研究[1,2],主要是强度极限承载力方面,而非线性屈曲问题,涉及较少,有待进一步研究和探讨。

根据形成原因不同,非线性问题可分为三大类型:材料非线性、几何非线性、状态非线性[3]。

若屈曲时,截面的部分纤维已经屈曲或超过比例极限,则称为蜂窝梁的非线性屈曲[4]。

在有残余应力的梁中,纤维应力为弯曲正应力与残余应力之和,往往当荷载不大,甚至一开始加载时,截面的部分纤维即已屈曲,整个截面分成弹性区和塑性区两部分,梁就进入非弹性工作。

文中采用ANS Y S 对圆孔蜂窝钢梁的非线性屈曲进行了较深入的研究,探讨了材料非线性和几何非线性对蜂窝钢梁抗弯承载力的影响。

1　分析对象描述分析对象为跨中作用集中荷载P 的简支圆孔蜂窝钢梁(跨度L =4.8m ,12孔或8m ,20孔),其中实腹截面的翼缘t =0.02m ,腹板厚度t w =0.02m ,截面高度h =0.4m ,翼缘宽度b =0.2m 。

采用通用有限元软件ANS Y S 建立有限元模型,采用三维4节点SHELL181壳单元进行网格划分,孔洞周围网格划分较密。

ABAQUS 6.7 非线性屈曲分析步骤riks法，或者general statics法（加阻尼），或者动力法一共三种方法，【问】在aba中能实现非线性屈曲分析吗？在step中选定line- perturbation下的各项，其Nlgeom 都为Off ，是不是意味着是进行不了啊？【答】line-perturbation 应该是特征值屈曲分析，只能是线性的，要想进行非线性屈曲分析要引入初始缺陷ABAQUS 中非线性屈曲分析采用riks 算法实现，可以考虑材料非线性、几何非线性已经初始缺陷的影响。

其中，初始缺陷可以通过屈曲模态、振型以及一般节点位移来描述。

no.1:利用abaqus进行屈曲分析，一般有两步，首先是特征值屈曲分析，此分析为线性屈曲分析，是在小变形的情况进行的，也即上面提到过的模态，目的是得出临界荷载（一般取一阶模态的eigenvalue乘以所设定的load），且需要在inp 文件中，作如下修改*node file,global=yes*End Step此修改目的在于：在下一步后屈曲分析所需要的初始缺陷的节点输出为.fil 文件。

no.2：其次，就是所谓的后屈曲分析，此步一般定义为非线性，原因在于是在大变形情况进行的，一般采用位移控制加修正的弧长法，可以定义材料非线性，以及几何非线性，加上初始确定，所以也称为非线性屈曲分析。

此步分析，为了得到极限值，需要得出荷载位移曲线的下降段，除了采用位移控制以及弧长法设定外，需在所得到的inp文件中，嵌入no.1中的.fil节点数据。

修改如下：IMPERFECTION （缺陷），FILE=results_file （此文件名为.fil）, STEP=step特征值分析步名）,1 （模态），2e-3（模态的比例因子，此值一般取杆件的1%,壳体厚度1%）此修改一般加在boundary之后step之前。

Re:新手请教非线性屈曲中如何加初始扰动？6.2.4 Unstable collapse and postbuckling analysisRik 法用于跳越失稳问题的研究，也可以用于分支屈曲的后屈曲研究。

非线性屈曲分析方法在薄膜褶皱研究中的应用与进展引言：现代意义上的膜结构起源于20世纪初。

由于膜结构自重轻，透光率高，抗震性能好等优点，使得膜结构迅速发展，出现了一系列优秀的建筑作品。

1970年，在日本大阪万国博览会上，膜结构第一次集中展示并引起广泛的关注和兴趣。

1995年以后，薄膜结构在我国的应用也日益增多，规模较大的已有130多座[1]杨庆山，姜忆南. 张拉索—膜结构分析与设计[M]. 北京: 科学出版社，2004。

随着薄膜结构的广泛应用，膜材的各项性能也引起了人们的广泛关注。

膜材作为柔性材料，最重要的特性就是它的弯曲刚度特别小，其抗压缩能力很差。

这种结构，在面外荷载作用下所产生的弯矩、剪力需要通过结构的变形转换成面内拉力或压力，当压缩应力超过膜材的抗压能力时，结构上的部分节点就会偏离其原来的平衡位置，出现局部屈曲现象，即产生褶皱。

随着薄膜结构的广泛应用，褶皱带来的不利影响也就见凸显。

褶皱的产生会不仅影响建筑物的美观，更重要的是影响结构的稳定性，同时对结构的动态性能也会产生不利影响。

目前对薄膜结构褶皱研究的方法主要有两种：数值模拟方法和实验分析方法。

实验分析方法受到薄膜自身特性、实验工具、测量手段等的限制，使得目前仅能对部分简单的结构形式采用实验分析的方法进行研究，所得到得实验研究数据不但数量有限，而且只是针对几种非常简单的结构形式。

与此相比，数值方法则灵活的多。

数值分析方法不受实验空间和测量手段等的限制，可以用于计算分析大型复杂的空间结构。

基于多种数值理论的数值分析方法，已经越来越广泛的应用于薄膜结构褶皱的研究。

数值分析方法的发展平面薄膜结构褶皱数值分析方法主要有两种一种是基于薄膜理论采用不可压缩材料模型的数值分析。

该方法包含基于Stein-Hedgepeth理论的迭代薄膜性能（IMP）方法、基于张力场理论的修正变形梯度法、修正弹性张量法、二变量参数（T-VP）法、修正本构矩阵法等，基于薄膜理论的褶皱数值分析方法假定薄膜没有弯曲刚度，不能够承受压缩应力，可以确定褶皱的走向和区域。

特征值屈曲分析与非线性屈曲分析很多现有的ANSYS资料都对特征值屈曲分析进行了较为详细的解释，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，因此在实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析。

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。

以下是我经过多次计算得出的一些分析经验，欢迎批评指正。

1.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。

特征值屈曲分析想必大家都熟练的不行了，所以小弟不再罗嗦。

小弟只说明一点，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*第一阶频率。

2.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，这步可以在Main Menu > Preprocessor > Modeling > Update Geom 中完成。

3.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。

4.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。

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。