框架梁柱結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析PDF共23頁(yè)

1、框架梁柱結(jié)構(gòu)的非線性屈曲失穩(wěn)分析算例來源：安世亞太科技股份有限公司算例制作：孟志華算例校核：關(guān) 鍵 詞：梁?jiǎn)卧?、屈曲、失穩(wěn)、非線性、臨界載荷摘要屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括： 線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱特征值屈曲分析。本算例對(duì)一個(gè)常見的框架梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性的屈曲失穩(wěn)分析，探討了非線性屈曲的臨界荷載判定方法，然后還進(jìn)行了后屈曲的結(jié)構(gòu)變形研究。該框架結(jié)構(gòu)使用了ANSYS Beam188梁?jiǎn)卧１舅憷m合于學(xué)習(xí)者掌握非線性的屈曲問題基本分析過程，并了解非線性屈曲失穩(wěn)臨界載荷判定的基礎(chǔ)概念。算例描述框架梁柱結(jié)構(gòu)如圖，材料為A

2、NSYS內(nèi)置的鋼材料，梁柱截面為25.4mm的方形實(shí)體梁。結(jié)構(gòu)兩端鉸支，在右端點(diǎn)約束X和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)只允許XY平面內(nèi)位移。荷載為在D位置的2224.11N的下壓集中力。要求評(píng)估結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失穩(wěn)的臨界荷載，并考察屈曲后繼續(xù)承載的變形情況。3.1. 打開 ANSYS Workbench，導(dǎo)入已有文件首先啟動(dòng)ANSYS Workbench環(huán)境。（1）導(dǎo)入已有的Workbench文件包：在Workbench界面的頂部【File】菜單中，使用“Restore Archive”菜單，指定本算例文件“nonlinear-buckling.wbpz”及路徑，解壓并打開文件。在系統(tǒng)提示保存時(shí)，選擇“保存”

3、。提示：.wbpz，是ANSYS Workbench的一種壓縮文件格式，壓縮文件內(nèi)包含了所有的仿真項(xiàng)目及必要的過程文件。該文件不能直接用“Open”打開，而是用“Restore Archive”解壓打開。在解壓打開時(shí)，必須接受“保存”為.wbpj文件和同名文件夾，以便繼續(xù)完成操作。3.1. 打開 ANSYS Workbench，導(dǎo)入已有文件（2）檢查確認(rèn)導(dǎo)入的wbpz文件：在Workbench界面中，導(dǎo)入文件后，在GUI視窗中，可以看到已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)“靜力分析”的項(xiàng)目及過程。3.1. 打開 ANSYS Workbench，導(dǎo)入已有文件（3）添加一個(gè)線性屈曲的分析項(xiàng)目：從Workbench頁(yè)面左

4、側(cè)的【Toolbox】工具箱中，找到【Eigenvalue Buckling】，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖拽至右邊窗口中注意要放置在已創(chuàng)建的靜力分析項(xiàng)目的【Solution】欄位置，這代表新的分析項(xiàng)目將使用靜力分析項(xiàng)目的求解結(jié)果。創(chuàng)建的靜力分析+線性屈曲分析過程，如下圖。注意：由于之前的算例已經(jīng)介紹了“線性”屈曲失穩(wěn)的操作過程，本例將不再講述“線性”屈曲失穩(wěn)。（4）再添加一個(gè)非線性屈曲的分析項(xiàng)目：從Workbench頁(yè)面左側(cè)的【Toolbox】工具箱中，找到【Static Structural】，按住鼠標(biāo)左鍵將其拖拽至右邊窗口中注意要放置在已創(chuàng)建的靜力分析項(xiàng)目的【Model】欄位置，這代表新的分析項(xiàng)目

5、將與前一個(gè)靜力分析項(xiàng)目共享有限元模型。提示：非線性屈曲失穩(wěn)的分析，本質(zhì)上是一種幾何非線性的靜力分析，因此在ANSYS中不算為單獨(dú)的分析類型，依然是采用“Static Structural”分析來實(shí)現(xiàn)。（5）將新添加的分析項(xiàng)目改名：在剛剛新添加的【Static Structural】分析項(xiàng)目上，找到“三角箭頭”，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，彈出菜單中選擇“Rename”，將該分析項(xiàng)目從默認(rèn)的“Static Structural”改為“Nonlinear Bulkling”，以便區(qū)分。3.2. 進(jìn)入Mechanical，檢查模型（1）打開ANSYS Mechanical模塊： 在Workbench起始界面，找到

6、項(xiàng)目流程【Project Schematic】窗口下新添加的“Nonlinear Bulkling”分析項(xiàng)目，雙擊其中的【Setup】欄目，即打開ANSYS Mechanical模塊的界面。打開界面的同時(shí)，繼承自原來“Static Structural”分析項(xiàng)目的幾何模型和有限元模型會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入，以便繼續(xù)做非線性的屈曲失穩(wěn)分析。（2）修改屈曲分析工況的名稱：為了便于區(qū)分，在左側(cè)結(jié)構(gòu)樹中的“Static Structural 2”上鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，選擇“rename”重命名為“Nonlinear Bulkling”，即非線性屈曲分析。修改名稱，僅是為了區(qū)分方便，不會(huì)影響后續(xù)的操作。3.3. 施加非線

7、性屈曲分析的載荷和邊界條件非線性屈曲失穩(wěn)的分析過程，本質(zhì)上是考慮了幾何非線性等問題的“靜力分析過程”，因此，其載荷和邊界條件的定義，以及求解的控制，與普通的非線性靜力分析相同。本例題中，在Workbench分析項(xiàng)目流程中，新添加了非線性屈曲的分析項(xiàng)目，并且材料、幾何、有限元網(wǎng)格是通過連線繼承自之前的靜力分析項(xiàng)目。另外，非線性屈曲分析作為新的工況，還需要重新定義相應(yīng)的邊界條件和荷載。3.3. 施加非線性屈曲分析的載荷和邊界條件（1）添加非線性屈曲工況相應(yīng)的荷載和邊界條件：非線性屈曲分析的工況，與之前靜力分析的工況基本一致。因此，在左側(cè)結(jié)構(gòu)目錄樹中，找到“Static Structural”分析工

8、況，按住Ctrl，鼠標(biāo)左鍵連續(xù)選中工況下所有的載荷和邊界條件，然后拖拽至新添加的“Nonlinear Bulkling”工況下。邊界條件與之前靜力分析相同：結(jié)構(gòu)兩端鉸支，在右端點(diǎn)約束X和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)只允許XY平面內(nèi)位移。3.3. 施加非線性屈曲分析的載荷和邊界條件（2）修改下壓力荷載的數(shù)值：在結(jié)構(gòu)目錄樹中選中新添加的集中力“Force”荷載，并在左下方相應(yīng)的“細(xì)節(jié)設(shè)置面板”中，將載荷數(shù)值從-4.4482N（1lb）改為“-2224.1N”，注意正負(fù)號(hào)代表的加載方向。3.4. 非線性屈曲分析的求解對(duì)于非線性屈曲失穩(wěn)的問題，求解控制的選項(xiàng)及參數(shù)，會(huì)很重要，應(yīng)注意檢查和調(diào)整。（3）檢查非線性屈

9、曲分析的求解參數(shù)：在左邊目錄樹中點(diǎn)擊需要求解的“Nonlinear Bulkling”分析工況設(shè)置，即點(diǎn)擊-【Nonlinear Bulkling】-【Analysis Setting】欄，在對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，逐一完成下圖的逐項(xiàng)設(shè)置。3.4. 非線性屈曲分析的求解（1）執(zhí)行求解：在左邊目錄樹中【Nonlinear Bulkling】工況欄，使用鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單選Solve，進(jìn)行求解。求解過程中，由于是非線性問題，因此需要關(guān)注求解時(shí)的收斂曲線和輸出信息。該例題中力的收斂曲線，如下圖所示 3.5. 分析結(jié)果查看（1）確認(rèn)發(fā)生了收斂困難，求解終止：計(jì)算將在一百多次迭代后終止，因?yàn)槌霈F(xiàn)了無(wú)法克服

10、的收斂困難。通常收斂困難可以通過合理的求解控制和參數(shù)設(shè)置來解決，但有時(shí)的收斂困難，恰恰就是由于實(shí)際模型的失穩(wěn)、屈服、滑脫等劇烈的變化引起的。在目錄樹中，求解非正常終止，都會(huì)顯示紅色的閃電符號(hào)，以特別提醒。3.5. 分析結(jié)果查看（2）添加并查看位移結(jié)果：在左側(cè)目錄樹的-【Nonlinear Bulkling】-【Solution】欄，點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，添加靜力分析工況的【Total Deformation】總體位移結(jié)果。使用鼠標(biāo)右鍵的“Evalute all Results”，可以計(jì)算并顯示最后一步的位移結(jié)果。顯示如下圖，最大位移2498mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，梁柱結(jié)構(gòu)變形很大，應(yīng)該是發(fā)生了失穩(wěn)破壞導(dǎo)致求解的

11、突然終止。3.5. 分析結(jié)果查看（3）算出屈曲臨界載荷的數(shù)值：對(duì)于非線性屈曲分析，我們就是需要系統(tǒng)求解發(fā)生終止，如果系統(tǒng)正常求解結(jié)束，就意味著：或者是目前的荷載水平不會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，或者是結(jié)構(gòu)受力特性的確不會(huì)失穩(wěn)，或者由于設(shè)置不合理導(dǎo)致意外的數(shù)值干擾。對(duì)于本例題，求解終止的位置，最后一個(gè)收斂的時(shí)間步，通過檢查GUI界面下方的圖表，可以看到是0.91185秒。那么由于默認(rèn)的求解總時(shí)刻是1秒，那么就相當(dāng)于載荷加載的91.185%時(shí)，還是收斂的，沒有失穩(wěn)。而超過91.185%則發(fā)生失穩(wěn)從而無(wú)法收斂。因此，推算出結(jié)構(gòu)非線性屈曲的臨界載荷約為2224.1*91.185%=2028N。3.5. 分析結(jié)果

12、查看另外，特別提示，如下圖，查看該梁柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，可以發(fā)現(xiàn)在求解時(shí)間步0.566秒附近，結(jié)構(gòu)應(yīng)力為213Mpa，已經(jīng)處于普通鋼材的屈服極限。而在之后，應(yīng)力會(huì)發(fā)生顯著增長(zhǎng)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)很快將進(jìn)入塑性，從而也會(huì)引起位移急劇增長(zhǎng)導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。因此，若加入金屬塑性行為，屈曲臨界荷載將會(huì)是1300N左右。3.6. 使用重啟動(dòng)技術(shù)，重新設(shè)置參數(shù)后繼續(xù)求解使用重啟動(dòng)技術(shù)，可以讓ANSYS在之前求解中止的時(shí)間步（子步）基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行求解計(jì)算，而無(wú)需從零開始。這樣可以在求解過程中遇到收斂問題時(shí)，停下來檢查模型或重新設(shè)置求解參數(shù)，然后再繼續(xù)求解。3.6. 使用重啟動(dòng)技術(shù)，重新設(shè)置參數(shù)后繼續(xù)求解（1）設(shè)置重啟

13、動(dòng)時(shí)間步點(diǎn)，并修改求解參數(shù)：由于上一次的計(jì)算，設(shè)置了重啟動(dòng)點(diǎn)為Manual，要求每一個(gè)時(shí)間步（子步）均保留重啟動(dòng)文件。因此，我們可以任選一個(gè)時(shí)間步（子步）來重啟動(dòng)求解。本例中，設(shè)置為從第20個(gè)子步的結(jié)果繼續(xù)求解，具體的重啟動(dòng)點(diǎn)設(shè)置如下圖。另外，如下圖中，也要設(shè)置相應(yīng)的數(shù)值阻尼，來克服結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的收斂性問題，使得求解能跨過失穩(wěn)階段，進(jìn)入后屈曲繼續(xù)承載階段。3.6. 使用重啟動(dòng)技術(shù)，重新設(shè)置參數(shù)后繼續(xù)求解（2）執(zhí)行重啟動(dòng)求解：在“Nonlinear Bulkling”工況下的【Solution】欄，用鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單選擇Solve求解。系統(tǒng)將繼續(xù)進(jìn)行重啟動(dòng)求解，基于第20個(gè)子步的結(jié)果，繼續(xù)計(jì)算?？梢钥吹剑捎谠O(shè)置了數(shù)值阻尼，所以可以很快求解完成。3.6. 使用重啟動(dòng)技術(shù)，重新設(shè)置參數(shù)后繼續(xù)求解（3）查看求解完成的位移結(jié)果：添加位移結(jié)果，查看求解完成的結(jié)果（即1秒時(shí)間步的結(jié)果），可以看到結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)后繼續(xù)變形的形狀。此處注意，由于實(shí)際上結(jié)構(gòu)在加載56.6%左右時(shí)（0.566秒時(shí)間步附近），就已進(jìn)入塑性，所以本例題僅為描述屈曲后承載的形狀，并不代表實(shí)際結(jié)構(gòu)可以承擔(dān)超出臨界荷載的壓力。分析小結(jié)本算例對(duì)一個(gè)常見的框架梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性的屈曲失穩(wěn)分析，探討了非線性屈曲的臨界荷載判定方法。該框架結(jié)構(gòu)使用了ANSYS Beam188梁?jiǎn)卧１舅憷m合于學(xué)習(xí)者掌握