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ANSYS Worknbench结构曲屈分析

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1 前言

为什么要进行结构屈曲分析?在实际工程问题中,细长压杆、薄壁圆筒、真空容器等细长或薄壁件,一般承受较大的压缩载荷,可能会突然发生曲屈而失去承载能力。

结构不稳定现象

如上图所示的细长压杆,虽然负载基本没有变化,但是任意方向的微小载荷、很小动荡都会使结构有很大改变,出现不稳定现象。因此,需要对该类结构进行曲屈分析,以保证其具有稳定的承载能力。

2 涉及概念

在保守载荷系统下,弹性结构存在两种失稳形式,即分岔点失稳和极值点失稳。荷载-位移全过程曲线,如下图所示。
线性屈曲与非线性屈曲
结构屈曲分析主要涉及以下概念:

(1) 屈曲:当载荷达到某一临界值时,结构将突然跳到另一个随遇的平衡状态,称之为屈曲。临界点之前称为前屈曲,临界点之后称为后屈曲。

(2) 临界载荷:结构在理论上的失稳载荷,所能承受最大接近曲屈的载荷,或屈曲开始时的载荷。
(3) 极限载荷:结构在实际环境中的失稳载荷,扰动和非线性行为使结构在低于临界载荷时就变得不稳定。


(4) 分岔点失稳:第一类失稳。表现为结构的平衡状态出现分岔现象,原有的平衡状态失去稳定性而转向新的平衡状态。基于小变形理论。

(5) 极值点失稳:第二类失稳。结构存在初始缺陷,不再表现为分岔失稳,往往出现变形跳跃,结构的平衡是不稳定的。基于大变形理论。

3 分析技术

曲屈是结构失稳的一种现象,结构稳定性主要采用屈曲分析。曲屈分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性,以及确定结构失稳的临界载荷,分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析。

3.1 线性屈曲分析

线性屈曲分析以特征值为对象,以小位移、小应变的线弹性理论为基础,预测理想线弹性结构的理论曲屈强度,可以得到屈曲载荷和屈曲模态,又称为特征值分析或线弹性失稳分析。

ANSYS Workbench 线性屈曲分析项目流程如下图所示,首先进行结构静力学计算,然后进行线性特征值屈曲计算。将在下篇文章进行详细讲解。

ANSYS Workbench线性曲屈分析项目流程图

线性屈曲分析是线性分析,因此不引入非线性因素,如非弹性本构、大变形、大偏转等。线性屈曲分析是静态分析,需要约束所有自由度,不得有刚体 位移。

真空容器线性曲屈

线性屈曲分析忽略了微观缺陷、宏观裂纹以及非线性行为,产生不保守的结果,预测值偏高,计算误差较大。但是,求解速度快,计算省时,效率高,可以提供屈曲失效的上限值。

3.2 非线性屈曲分析

在实际结构中,缺陷和非线性行为阻止了系统达到理论屈曲强度。非线性屈曲分析考虑了材料和几何非线性、载荷扰动、几何缺陷和间隙,是一种非线性静力分析。
ANSYS Workbench 非线性屈曲分析项目流程如下图所示,主要包括3步:(1) 进行线性屈曲分析,获得结构屈曲模态;(2) 施加结构几何初始缺陷;(3) 进行非线性静力分析。
ANSYS Workbench非线性曲屈分析项目流程图

非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析、弹塑性失稳分析(材料非线性失稳分析)、非线性后屈曲分析(几何非线性和材料非线性)。比较接近实际情况,计算结果更加准确,而且可以进行后屈曲分析。

4 结语

特征值屈曲分析属于线性分析,它对结构临界失稳载荷的预测往往要高于结构实际的临界失稳载荷,因此在实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析。但是,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。


来源:纵横CAE
Workbench静力学非线性裂纹理论材料ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-01
最近编辑:2月前
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