屈曲问题的有限元分析方法大致有两类:一类是通过特征值计算屈曲载荷,这类方法又可分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析;另一类是屈曲路径的弧长法,可有效解决包含各种非线性因素影响的屈曲问题。ANSYS Workbench屈曲分析采用第一种方法特征值屈曲分析,这种方法以小位移小应变的线弹性理论为基础,不考虑结构在负载作用下结构构形的变化,通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的临界屈曲载荷(屈曲开始时的载荷)和屈曲模态。
1.基于线性的特征值屈曲分析
线性屈曲分析忽略了各种非线性因素和初始缺陷对屈曲载荷的影响,简化了屈曲问题,在提高屈曲分析计算效率的同时也使分析结果趋于非保守性。从特性方面研究屈曲,只能获得描述结构屈曲时各个相对的位移变化大小,即屈曲模态,无法给出位移的绝对值。但是线性屈曲分析可以用来做第一步计算来评估临界载荷,确定屈曲模型形状的设计工具。
1)对于线性屈曲分析,只能预先在线性结构分析环境里施加线性边界条件。
2)所有结构载荷都要乘以相同载荷系数来决定屈曲载荷。
3)屈曲荷载因子适用于所有静态分析中的载荷。
4)如果某些载荷是常值而其他载荷是变量,则需要特殊指定步来确保计算准确。有效的方法是重复屈曲分析,调整可变载荷直到载荷因子为1.0或接近于1.0。
5)如果在特征值屈曲分析中得到了负的屈曲载荷因子值,则需要在预先的线性静力结构分析中调整载荷方向与之相反。
6)在静力分析中允许非0约束,在屈曲分析中的载荷因子也能应用这些非0约束值,但是,和该载荷相关的屈曲模态显示为零值约束。
2.基于非线性的特征值屈曲分析(www.xing528.com)
非线性屈曲分析考虑了以往加载历史的影响、非线性载荷、初始缺陷等因素,对中等非线性程度的屈曲问题,可给出足够准确的屈曲载荷;但对呈高度非线性的屈曲问题,结果精度也会受到较大的影响。
1)在预先的静力结构分析环境中需要至少定义一个非线性因素。
2)除了在静力结构分析环境中定义,还必须在特征值屈曲分析中定义一个载荷。为了实现设置,可以应用保持预应力载荷模式【Keep Pre stress Load Pattern】。选择Yes,则载荷与原施加在结构静力分析上的载荷一致;若选择No,则可在特征值屈曲分析环境中施加与之前完全不同的载荷。
3)当估算结构上最终的非线性屈曲载荷时,必须考虑在结构静力分析环境和屈曲分析环境的载荷应用,非线性屈曲分析计算最终屈曲载荷的方程为
Fu=FrλiFp (7-6)
式中,Fu为结构的最终屈曲载荷;Fr为结构分析中的总载荷指定的初始载荷;λi为第i模态屈曲载荷因子;Fp为在屈曲分析中的后续施加载荷。后续施加的载荷可以为预先添加的预应力载荷,也可以是新添加的载荷,但新添加的载荷必须通过节点力或节点压力来施加。
4)基于非线性特征值屈曲分析计算的屈曲荷载因子适用于所有屈曲分析中的载荷。
5)如果在特征值屈曲分析中得到了负的屈曲载荷因子值,而需要得到正的屈曲载荷因子值,可以应用保持预应力载荷模式【Keep Pre stress Load Pattern】。选择Yes时,只需在预先的线性静力结构分析中调整载荷方向与之相反;若选择No,则在特征值屈曲分析环境中调整所有载荷方向与之相反。
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