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NFX|线性稳定性分析

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线性屈曲分析

Linear Buckling Analysis
    又称一类稳定,是为了判断受压结构的不稳定性,结构的线性屈曲和材料强度无关,与结构的几何形状、刚度、约束条件有紧密的关系。在细长物体的一端沿轴向施加压力,当施加的力较小时物体的变形和轴力成正比,当施加的力大于一定程度时会出现屈曲现象,即使不再增加力也会造成较大变形。图7.3.1是截面面积和高度不同的圆柱体上发生的不同屈曲形状。

    A圆柱体的受压面积相同,根据σ=F/A公式计算的应力大小相同。但是圆柱体的高度较大时会产生较大的屈曲变形。B圆柱体的高度相同但是受压面积不同,施加相同大小的力时受压面积小的圆柱体产生的应力较大发生屈曲变形。即圆柱体的受压面积越小(产生的应力越大)、高度越高越容易发生屈曲变形

需要进行线性屈曲分析的结构类型包括:

*承受较大压力载荷significant compressive loads的大型结构

*具有长细比较大柱的结构

*受压状态的薄壁圆筒形结构

*边缘受压的薄板形状的结构(如压力容器)

*上部表面承受横向荷载的长且薄的悬臂结构

线性屈曲分析的控制方程

   在线性静力分析中,对处于稳定平衡状态的物体撤消外部作用时物体会恢复原来状态。但是当外部施加的力超过某个界限时,结构将处于不稳定状态,在外力不再增加变形也会持续增加,此时表示结构发生屈曲。

屈曲现象发生在受压物体的面内变形能转化成弯曲变形能时,此时的轴向荷载叫做屈曲荷载或临界荷载。线性屈曲荷载可通过特征值分析获得,特征值(λ)相当于外部荷载( )的系数,也叫屈曲荷载系数或临界荷载系数,实际屈曲荷载的大小为特征值和外部荷载的乘积( )线性屈曲分析利用下式计算。

K: 弹性刚度矩阵

:几何刚度矩阵
    弹性刚度由物体的材质和形状决定,几何刚度由物体受力产生的应力决定。即结构的几何刚度与外力相关。例如圆柱体受压时几何刚度会使整体刚度变小,如果受拉则几何刚度会使整体刚度变大。发生屈曲表示弹性刚度和几何刚度之和为0。屈曲荷载系数大于1.0时物体稳定,小于1.0时则不稳定。屈曲荷载系数值为负时表示受到反方向作用力时才会发生屈曲。特征向量表示物体的屈曲形状,屈曲形状一般为第一模态,但根据物体的形状和初始缺陷,也有可能发生第二、第三模态的屈曲形状

线性屈曲分析流程

线性屈曲分析步骤与线性静力分析的步骤相似,与线性静力分析不同点如下:

*静力荷载输入的可以是单位荷载,即荷载大小不重要。

*如果输入的是单位荷载,则输出的临界荷载系数就是临界荷载。

*线性屈曲分析的条件使用线性静力分析和特征值分析条件。

*需要综合考虑特征值分析的屈曲荷载系数、线性静力分析的最大应力、材料

的破坏强度等因素来判断物体的稳定与否。

  • 建模

   在为线性屈曲分析建模时,生成足够数量的单元网格来准确表示屈曲模态形状至关重要。通常,建议先进行线性静态分析,并查看应力值范围。然后,您可以使用为线性分析创建的模型进行屈曲分析。您可以使用静态分析中常用的所有单元类型,但在考虑单元尺寸时,考虑屈曲模态形状并相应地确定单元尺寸至关重要。特别是使用实体单元时,要注意厚度方向上的单元数量,以充分表示弯曲行为。

线性屈曲分析可以使用线性静态分析中常用的所有单元和单元属性。关键是要调整单元大小,以准确地捕捉屈曲模态形状,同时考虑结构的稳定性和屈曲行为。

  • 材料

线性屈曲分析的特征值计算公式中不包含惯性力,所以不同于模态分析,故不需要输入材料密度,即只需要输入线性静力分析所用的弹性模量和泊松比。

  • 单元

线性屈曲分析中可使用静力分析支持的所有单元。

  • 边界条件和荷载条件

输入荷载和边界条件的输入方法与线性静力分析相同。需注意的是结构的屈曲荷载受约束条件影响较大,因此输入约束时要符合实际情况。

  • 运行线性屈曲分析

   建立了模型、荷载、边界条件后通过定义分析工况进行屈曲分析。选择分析类型为线性屈曲分析时将自动生成线性静态分析子工况和模态分析子工况。线性屈曲分析的特征值数量不需要太多,一般输入5个即可。指定特征值范围时要注意外部作用荷载的大小,指定的范围应能得到临界荷载系数。

图7.3.2 定义分析工况的方法
  • 线性屈曲分析结果

  分析线性屈曲分析结果可根据最大应力 、屈曲荷载系数 λ、材料的破坏强度 区分为下列四种情况。得到屈曲荷载后需要使用屈曲荷载进行静力分析确认应力结果。

   在线性屈曲分析中,第一步是检查稳定系数(特征值),该系数与模态分析中获得的固有频率(Hz)不同。

例如,设计荷载为-2000N的载荷,稳定系数为0.643,小于1.0,则表明结构在承受-2000*0.643=-1286N的压力载荷时会发生屈曲

   如果-2000N荷载为结构上的实际施加荷载,则表明结构的线性稳定性存在问题,预计会出现线性屈曲引起的失效。在这种情况下,可以假设失效时的屈曲形状与第一模态的模式形状相似。


来源:midas机械事业部
非线性ADSNFXMIDAS材料控制
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首次发布时间:2024-07-14
最近编辑:4月前
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