midas NFX使用指南(八)

1、2.1.3midasNFX(Designer)的分析功能midasNFX（Designer）所提供的主要分析功能如下：A.線性靜態(tài)分析（LinearStaticAnalysis）靜力分析（StaticAnalysis）的條件是作用的荷載不隨時間變化，也可以假定為荷載緩慢漸進到達最大值后不再隨時間變化。在實際工程中當(dāng)作用荷載的頻率小于結(jié)構(gòu)最低頻率的1/4時可以視為靜力分析。另外，線性（Linear）是指作用在結(jié)構(gòu)的荷載和物體的響應(yīng)（位移、應(yīng)力等）的關(guān)系為線性，一般來說應(yīng)滿足下列條件：材料為彈性滿足虎克定律（應(yīng)力和應(yīng)變呈線性比例關(guān)系）。（否則為材料非線性分析）發(fā)生的位移足夠小不影響結(jié)構(gòu)的剛度。（否

2、則進行幾何非線性分析）荷載作用過程中邊界條件不發(fā)生變化。（否則進行與接觸分析類似的邊界非線性分析）即線性靜力分析是指在滿足上述條件的結(jié)構(gòu)上作用不隨時間變化的荷載進行分析，根據(jù)線性”的特征對結(jié)果可以進行疊加。（Superposition）。一般來說對線性靜力分析結(jié)果要分析其（最大）位移和（最大）應(yīng)力以及相對于許用應(yīng)力的安全系數(shù)。最大位移最大作用力B.模態(tài)分析(自由振動分析,NormalModesAnalysis,FreeVibrationAnalysis)主要用于分析結(jié)構(gòu)的固有動力特性，在沒有外力和阻尼(Damping)的情況下計算結(jié)構(gòu)的特征值(Eigenvalue)。通過自由振動分析可以得到的

3、結(jié)構(gòu)動力特性有固有頻率(或固在材料中輸入為重量(W)時，必須正確的定義重力加速度(g)。(質(zhì)量：w/g)有周期)和各固有頻率的振型等，而這些由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量倉和剛度決定。對安裝在有振動結(jié)構(gòu)體上的部品，為了避免發(fā)生共振(Resonance)，最好事先用模態(tài)分析的方法來檢測部品的固有頻率(與結(jié)構(gòu)體的頻率或作用載荷(CyclicLoad)的頻率進行比較)。一般來說像線性靜力分析如2.1.2節(jié)的示例所示的流程一樣，如果模型對稱(幾何形狀、荷載、邊界條件全部對稱)時，將對稱部分設(shè)置對稱邊界條件后進行分析。但是即便是模型是對稱的，振型也可能是不對稱的，所以對自由振動等特征值問題不能使用對稱條件來分析。1次模式

4、形狀6次模式形狀8次模式形狀一般模態(tài)分析示例C.線性屈曲分析（LinearBucklingAnalysis）線性屈曲分析的目的是獲得引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界荷載。失穩(wěn)是在受壓結(jié)構(gòu)的面內(nèi)應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為彎曲應(yīng)變能時發(fā)生的，此時的荷載為臨界荷載。在臨界荷載作用下即便是荷載不再增加結(jié)構(gòu)的彎曲變形也將繼續(xù)增加。臨界荷載的大小一般由結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、剛度以及支承方式?jīng)Q定。線性屈曲分析也是解特征值的問題，計算的特征值）是作用荷載（P）的系數(shù)，實際a臨界荷載是這兩個數(shù)的乘積（P=XxP）o當(dāng)特征值（屈曲系數(shù)）非常小時，即作用荷載cra接近臨界荷載時可通過非線性分析來確認(rèn)結(jié)構(gòu)的安全性。一般來說結(jié)構(gòu)在受拉、壓載荷時會發(fā)生屈

5、服破壞。對于下列情況應(yīng)做線性屈曲分析確認(rèn)結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)受較大的壓力荷載作用時時；結(jié)構(gòu)的形狀長而細時；結(jié)構(gòu)的厚度非常?。═hin-walled）時；加固前（屈曲系數(shù):入）孔周邊加固后（屈曲系數(shù)：1.4九）不同的結(jié)構(gòu)加固（方法）對應(yīng)的屈曲系數(shù)和屈曲模態(tài)示例D.熱傳遞分析(HeatTransferAnalysis)熱傳遞分析是計算物體溫度分布的方法，并依據(jù)該溫度分布來判斷物體內(nèi)部的熱傳遞方向和大小。熱的傳遞是通過內(nèi)部的發(fā)熱源、熱在物體內(nèi)的傳導(dǎo)、物體通過外表面與外部的對流和輻射等完成的。引起熱傳遞的條件隨時間發(fā)生變化時叫瞬態(tài)分析，否則稱為穩(wěn)態(tài)分析。另外這些條件隨溫度發(fā)生變化時叫做非線性，不發(fā)生變化

6、時叫做線性。另外與需要彈性模量、泊松比等結(jié)構(gòu)分析不同，熱傳遞分析中需要熱傳導(dǎo)率、比熱等參數(shù)信息。在沒有特別的指出載荷/邊界條件的邊界上，自動地將其視為絕熱條件。內(nèi)部熱源絕熱(Insulation):沒有熱交換為了利用溫度結(jié)果來計算熱作用力，需要在材料信息中定義熱膨脹系數(shù)。溫度和溫度梯度是引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要因素之一，一般做完熱傳遞分析后利用獲得的溫度分布計算熱應(yīng)力。E參考midasNFX(Desinger)中為了便于用戶使用，提供了完成熱傳遞分析之后可以直接進行熱應(yīng)力分析的功能。熱傳遞分析得到的溫度分布利用溫度分布結(jié)果計算出的熱變形一般結(jié)構(gòu)的熱傳遞/熱變形的計算示例熱傳遞的溫度分布結(jié)果利用溫度分

7、布結(jié)果計算的有效應(yīng)力結(jié)果PCB板的熱傳遞/熱應(yīng)力的計算示例E.非線性分析（NonlinearAnalysis）線性分析中假定位移和應(yīng)變很小、應(yīng)力和應(yīng)變呈線性比例關(guān)系、結(jié)構(gòu)即使發(fā)生變形荷載的作用方向也不放生改變，但是非線性分析中可以考慮材料的特性隨荷載發(fā)生變化（材料非線性）、發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)時荷載的作用方向和分布、大小發(fā)生變化（幾何非線性）、相鄰部分發(fā)生間隙或接觸（接觸非線性）等問題。非線性分析中比較難的問題是材料非線性（特別是材料模型的定義），幾何非線性和接觸非線性相對來說需要輸入的特性較少，在實際分析中也經(jīng)常會用到。一般情況下在考慮材料非線性時都會要求同時考慮其它非線性（幾何、接觸）。下面將對

8、材料非線性和幾何非線性做簡單介紹，對接觸非線性會另外進行介紹。1）材料非線性初期為彈性的材料在達到一定應(yīng)力值后會變?yōu)樗苄?，或者?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再遵循線性關(guān)系。midasNFX（Designer）中提供的非線性材料模型根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和屈服準(zhǔn)則分為如下類型：超彈性模型在細微的變形率下，也會呈現(xiàn)位移和變形率的非線性關(guān)系。顯示橡膠、硅膠等非壓縮性材料時使用。非線性彈性(NonlinearElastic)彈塑性(ElastoPlastic)范梅塞斯(vonMises),特雷斯卡(Tresca)，莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb),德魯克-普拉格(Drucker-Prager)塑性(Plastic

9、)范梅塞斯(vonMises),特雷斯卡(Tresca)，莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb),德魯克-普拉格(Drucker-Prager)超彈性(HyperElastic)非線性材料模型示例（等效應(yīng)力-全應(yīng)變關(guān)系）2）幾何非線性幾何非線性的最大特點就是發(fā)生較大的變形時在材料特性不變的情況下結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)的變形過大時以初始形狀為基準(zhǔn)建立的平衡方程式應(yīng)該修改為以變形后的形狀為基準(zhǔn)的平衡方程，作用荷載的大小和方向也可能發(fā)生變化。例如，壓力荷載隨著作用面積的變化，荷載大小也會發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)角度大時荷載作用方向也會發(fā)生變化。特別是幾何非線性分析中有個非常重要的概念，即依存于結(jié)構(gòu)的位置/方

10、向的隨從力。F隨從力在概念上與沖力（Thrust）類似，它沒有已特定坐標(biāo)為基準(zhǔn)的方向定義，是以節(jié)點或單元的坐標(biāo)為基準(zhǔn)而定義的。作用在懸臂梁自由端的一般線性荷載和隨從力的差別（作用方向）非線性分析分析的求解過程為首先將總荷載分為多個荷載步，然后逐漸加載到總荷載大小，在各荷載步中使用迭代法計算各荷載步的結(jié)果。荷載步驟的大小是影響非線性分析的結(jié)果(收斂)的最重要的因素，步長過大則不易收斂，步長過小分析時間會很長且分析結(jié)果文件會過大。midasNFX(Analyst)中提供自動調(diào)整荷載步長(AutoLoadStepping)功能，根據(jù)收斂情況可以自動調(diào)整步長。通常階躍載荷是由用戶來制定的。下位階躍(根

11、據(jù)收斂情況)是由程序自動生成的。F.接觸分析(ContactAnalysis)接觸分析是指模型發(fā)生變形時邊界發(fā)生非線性變化或邊界條件發(fā)生變化的分析。在接觸分析中兩個部分可以發(fā)生接觸、滑動、粘結(jié)或發(fā)生摩擦，特別是由各零件組成的機械模型中即使各零件的單元網(wǎng)格不一致，也可以使各零件像焊接在一起那樣整體運動。接觸分析中需要的信息有接觸類型(ContactType)和一對接觸面(ContactPair)。midasNFX(Designer)中的分析選項中提供自動搜索接觸面(AutoContactSearch)的功能。使用該選項時在前處理中不必定義互相接觸的面，由求解器自動搜索面做接觸分析。一般來說接觸分析屬于非線性分析,midasNFX(Designer)中還提供線性接觸分析，對焊接接觸(Weld)這樣的簡單接觸條件，可以通過線性分析做靜力分析和自由振動分析。參考midasNFX(Designer)的熱傳遞分析中也支持接觸條件，與靜力分析類似即使是單元網(wǎng)格不一致的區(qū)域之間或相互間有間隙的區(qū)域之間通過傳遞處理可以使兩個區(qū)域的接觸面保持相同的溫度。由3個零件組成的機械模型由幾個零件組成的機械的接觸分析例題(線性靜力分析)G.預(yù)應(yīng)力分析（PrestressedAnalysis）給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力（初始應(yīng)力）時，結(jié)構(gòu)的剛度會發(fā)生變化并影響響應(yīng)。例如在懸臂梁上施加預(yù)應(yīng)力會增加結(jié)構(gòu)的抗彎剛度