框架梁柱結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析PDF共23

框架梁梁柱結(jié)結(jié)構(gòu)的非線性屈曲失失穩(wěn)分分析算例來(lái)來(lái)源：安世世亞太太科技技股份份有限限公司司算例制作：孟志華華算例校核：關(guān)鍵鍵詞詞：：梁?jiǎn)卧⑶?、、失穩(wěn)穩(wěn)、非線線性、臨界界載荷荷摘要屈曲分分析主主要用用于研研究結(jié)結(jié)構(gòu)在在特定定載荷荷下的的穩(wěn)定定性以以及確確定結(jié)結(jié)構(gòu)失失穩(wěn)的的臨界界載荷荷，屈屈曲分分析包包括：：線線性屈屈曲和和非線線性屈屈曲分分析。。線彈彈性失失穩(wěn)分分析又又稱特特征值值屈曲曲分析析。本算例例對(duì)一一個(gè)常常見(jiàn)的的框架架梁柱柱結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行行了非非線性性的屈屈曲失失穩(wěn)分分析，，探討討了非非線性性屈曲曲的臨臨界荷荷載判判定方方法，，然后后還進(jìn)進(jìn)行了了后屈屈曲的的結(jié)構(gòu)構(gòu)變形形研究究。該該框架架結(jié)構(gòu)構(gòu)使用用了ANSYSBeam188梁?jiǎn)卧?。本本算例例適合合于學(xué)學(xué)習(xí)者者掌握握非線線性的的屈曲曲問(wèn)題題基本本分析析過(guò)程程，并并了解解非線線性屈屈曲失失穩(wěn)臨臨界載載荷判判定的的基礎(chǔ)礎(chǔ)概念念。算例描述述框架梁梁柱結(jié)結(jié)構(gòu)如如圖，，材料料為ANSYS內(nèi)置的的鋼材材料，，梁柱柱截面面為25.4mm的方形形實(shí)體體梁。。結(jié)構(gòu)構(gòu)兩端端鉸支支，在在右端端點(diǎn)約約束X和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，整整體結(jié)結(jié)構(gòu)只只允許許XY平面內(nèi)內(nèi)位移移。荷荷載為為在D位置的的2224.11N的下壓壓集中中力。。要求求評(píng)估估結(jié)構(gòu)構(gòu)發(fā)生生屈曲曲失穩(wěn)穩(wěn)的臨臨界荷荷載，，并考考察屈屈曲后后繼續(xù)續(xù)承載載的變變形情情況。。3.1.打開(kāi)ANSYSWorkbench，導(dǎo)入入已有有文件件首先啟啟動(dòng)ANSYSWorkbench環(huán)境。。（1）導(dǎo)導(dǎo)入已已有的的Workbench文件包包：在在Workbench界面的的頂部部【File】菜單中中，使使用““RestoreArchive…””菜單，，指定定本算算例文文件“nonlinear-buckling.wbpz””及路徑徑，解解壓并并打開(kāi)開(kāi)文件件。在在系統(tǒng)統(tǒng)提示示保存存時(shí)，，選擇擇“保保存””。提示：：.wbpz，是ANSYSWorkbench的一種種壓縮縮文件件格式式，壓壓縮文文件內(nèi)內(nèi)包含含了所所有的的仿真真項(xiàng)目目及必必要的的過(guò)程程文件件。該該文件件不能能直接接用““Open””打開(kāi)，，而是是用““RestoreArchive…””解壓打打開(kāi)。。在解解壓打打開(kāi)時(shí)時(shí)，必必須接接受““保存存”為為.wbpj文件和和同名名文件件夾，，以便便繼續(xù)續(xù)完成成操作作。3.1.打開(kāi)ANSYSWorkbench，導(dǎo)入入已有有文件件（2）檢檢查確確認(rèn)導(dǎo)導(dǎo)入的的wbpz文件：：在Workbench界面中中，導(dǎo)導(dǎo)入文文件后后，在在GUI視窗中中，可可以看看到已已經(jīng)創(chuàng)創(chuàng)建了了一個(gè)個(gè)“靜靜力分分析””的項(xiàng)項(xiàng)目及及過(guò)程程。3.1.打開(kāi)ANSYSWorkbench，導(dǎo)入入已有有文件件（3）添添加一一個(gè)線線性屈屈曲的的分析析項(xiàng)目目：從從Workbench頁(yè)面左左側(cè)的的【Toolbox】】工具箱箱中，，找到到【EigenvalueBuckling】】，按住住鼠標(biāo)標(biāo)左鍵鍵將其其拖拽拽至右右邊窗窗口中中——注意要要放置置在已已創(chuàng)建建的靜靜力分分析項(xiàng)項(xiàng)目的的【Solution】欄位置置，這這代表表新的的分析析項(xiàng)目目將使使用靜靜力分分析項(xiàng)項(xiàng)目的的求解解結(jié)果果。創(chuàng)創(chuàng)建的的靜力力分析析+線性屈屈曲分分析過(guò)過(guò)程，，如下下圖。注意：：由于于之前前的算算例已已經(jīng)介介紹了了“線性”屈曲失失穩(wěn)的的操作作過(guò)程程，本本例將將不再再講述述“線性”屈曲失失穩(wěn)。。（4）再再添加加一個(gè)個(gè)非線線性屈屈曲的的分析析項(xiàng)目目：從從Workbench頁(yè)面左左側(cè)的的【Toolbox】】工具箱箱中，，找到到【StaticStructural】】，按住住鼠標(biāo)標(biāo)左鍵鍵將其其拖拽拽至右右邊窗窗口中中——注意要要放置置在已已創(chuàng)建建的靜靜力分分析項(xiàng)項(xiàng)目的的【Model】】欄位置置，這這代表表新的的分析析項(xiàng)目目將與與前一一個(gè)靜靜力分分析項(xiàng)項(xiàng)目共共享有有限元元模型型。提示：：非線線性屈屈曲失失穩(wěn)的的分析析，本本質(zhì)上上是一一種幾幾何非非線性性的靜靜力分分析，，因此此在ANSYS中不算算為單單獨(dú)的的分析析類(lèi)型型，依依然是是采用用“StaticStructural”分析來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。（5）將將新添添加的的分析析項(xiàng)目目改名名：在在剛剛剛新添添加的的【StaticStructural】】分析項(xiàng)項(xiàng)目上上，找找到““三角角箭頭頭”，，鼠標(biāo)標(biāo)右鍵鍵點(diǎn)擊擊，彈彈出菜菜單中中選擇擇“Rename””，將該該分析析項(xiàng)目目從默默認(rèn)的的“StaticStructural”改為““NonlinearBulkling””，以便便區(qū)分分。3.2.進(jìn)入Mechanical，檢查查模型（1）打打開(kāi)ANSYSMechanical模塊：：在在Workbench起始界界面，，找到到項(xiàng)目目流程程【ProjectSchematic】】窗口下下新添添加的的“NonlinearBulkling””分析項(xiàng)項(xiàng)目，，雙擊擊其中中的【Setup】】欄目，，即打打開(kāi)ANSYSMechanical模塊的的界面面。打打開(kāi)界界面的的同時(shí)時(shí)，繼繼承自自原來(lái)來(lái)“StaticStructural”分析項(xiàng)項(xiàng)目的的幾何何模型型和有有限元元模型型會(huì)自自動(dòng)導(dǎo)導(dǎo)入，，以便便繼續(xù)續(xù)做非非線性性的屈屈曲失失穩(wěn)分分析。（2）修修改屈屈曲分分析工工況的的名稱稱：為為了便便于區(qū)區(qū)分，，在左左側(cè)結(jié)結(jié)構(gòu)樹(shù)樹(shù)中的的“StaticStructural2”上鼠標(biāo)標(biāo)右鍵鍵點(diǎn)擊擊，選選擇““rename””重命名名為““NonlinearBulkling””，即非非線性性屈曲曲分析析。修修改名名稱，，僅是是為了了區(qū)分分方便便，不不會(huì)影影響后后續(xù)的的操作作。3.3.施加非非線性性屈曲曲分析析的載載荷和和邊界界條件件非線性性屈曲曲失穩(wěn)穩(wěn)的分分析過(guò)過(guò)程，，本質(zhì)質(zhì)上是是考慮慮了幾幾何非非線性性等問(wèn)問(wèn)題的的“靜靜力分分析過(guò)過(guò)程””，因因此，，其載載荷和和邊界界條件件的定定義，，以及及求解解的控控制，，與普普通的的非線線性靜靜力分分析相相同。。本例題題中，，在Workbench分析項(xiàng)項(xiàng)目流流程中中，新新添加加了非非線性性屈曲曲的分分析項(xiàng)項(xiàng)目，，并且且材料料、幾幾何、、有限限元網(wǎng)網(wǎng)格是是通過(guò)過(guò)連線線繼承承自之之前的的靜力力分析析項(xiàng)目目。另另外，，非線線性屈屈曲分分析作作為新新的工工況，，還需需要重重新定定義相相應(yīng)的的邊界界條件件和荷荷載。。3.3.施加非非線性性屈曲曲分析析的載載荷和和邊界界條件件（1）添添加非非線性性屈曲曲工況況相應(yīng)應(yīng)的荷荷載和和邊界界條件件：非非線性性屈曲曲分析析的工工況，，與之之前靜靜力分分析的的工況況基本本一致致。因因此，，在左左側(cè)結(jié)結(jié)構(gòu)目目錄樹(shù)樹(shù)中，，找到到“StaticStructural”分析工工況，，按住住Ctrl，鼠標(biāo)標(biāo)左鍵鍵連續(xù)續(xù)選中中工況況下所所有的的載荷荷和邊邊界條條件，，然后后拖拽拽至新新添加加的““NonlinearBulkling””工況下下。邊邊界條條件與與之前前靜力力分析析相同同：結(jié)結(jié)構(gòu)兩兩端鉸鉸支，，在右右端點(diǎn)點(diǎn)約束束X和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，整整體結(jié)結(jié)構(gòu)只只允許許XY平面內(nèi)內(nèi)位移移。3.3.施加非非線性性屈曲曲分析析的載載荷和和邊界界條件件（2）修修改下下壓力力荷載載的數(shù)數(shù)值：：在結(jié)結(jié)構(gòu)目目錄樹(shù)樹(shù)中選選中新新添加加的集集中力力“Force”荷載，，并在在左下下方相相應(yīng)的的“細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)設(shè)置面面板””中，，將載載荷數(shù)數(shù)值從從-4.4482N（1lb）改為為“-2224.1N””，注意意正負(fù)負(fù)號(hào)代代表的的加載載方向向。3.4.非線性性屈曲曲分析析的求求解對(duì)于非非線性性屈曲曲失穩(wěn)穩(wěn)的問(wèn)問(wèn)題，，求解解控制制的選選項(xiàng)及及參數(shù)數(shù)，會(huì)會(huì)很重重要，，應(yīng)注注意檢檢查和和調(diào)整整。（3）檢檢查非非線性性屈曲曲分析析的求求解參參數(shù)：：在左左邊目目錄樹(shù)樹(shù)中點(diǎn)點(diǎn)擊需需要求求解的的“NonlinearBulkling””分析工工況設(shè)設(shè)置，，即點(diǎn)點(diǎn)擊-【NonlinearBulkling】】-【【AnalysisSetting】欄，在在對(duì)應(yīng)應(yīng)的細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)設(shè)置面面板中中，逐逐一完完成下下圖的的逐項(xiàng)項(xiàng)設(shè)置置。3.4.非線性性屈曲曲分析析的求求解（1）執(zhí)執(zhí)行求求解：：在左左邊目目錄樹(shù)樹(shù)中【NonlinearBulkling】工況欄欄，使使用鼠鼠標(biāo)右右鍵，，彈出出菜單單選Solve，進(jìn)行行求解解。求求解過(guò)過(guò)程中中，由由于是是非線線性問(wèn)問(wèn)題，，因此此需要要關(guān)注注求解解時(shí)的的收斂斂曲線線和輸輸出信信息。。該例例題中中力的的收斂斂曲線線，如如下圖圖所示示3.5.分析結(jié)結(jié)果查查看（1）確確認(rèn)發(fā)發(fā)生了了收斂斂困難難，求求解終終止：：計(jì)算算將在在一百百多次次迭代代后終終止，，因?yàn)闉槌霈F(xiàn)現(xiàn)了無(wú)無(wú)法克克服的的收斂斂困難難。通通常收收斂困困難可可以通通過(guò)合合理的的求解解控制制和參參數(shù)設(shè)設(shè)置來(lái)來(lái)解決決，但但有時(shí)時(shí)的收收斂困困難，，恰恰恰就是是由于于實(shí)際際模型型的失失穩(wěn)、、屈服服、滑滑脫等等劇烈烈的變變化引引起的的。在在目錄錄樹(shù)中中，求求解非非正常常終止止，都都會(huì)顯顯示紅紅色的的閃電電符號(hào)號(hào)，以以特別別提醒醒。3.5.分析結(jié)結(jié)果查查看（2）添添加并并查看看位移移結(jié)果果：在在左側(cè)側(cè)目錄錄樹(shù)的的-【NonlinearBulkling】】-【【Solution】欄，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)標(biāo)右鍵鍵，添添加靜靜力分分析工工況的的【TotalDeformation】】總體位位移結(jié)結(jié)果。。使用用鼠標(biāo)標(biāo)右鍵鍵的““EvaluteallResults”，可以以計(jì)算算并顯顯示最最后一一步的的位移移結(jié)果果。顯顯示如如下圖圖，最最大位位移2498mm。可以以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，梁梁柱結(jié)結(jié)構(gòu)變變形很很大，，應(yīng)該該是發(fā)發(fā)生了了失穩(wěn)穩(wěn)破壞壞導(dǎo)致致求解解的突突然終終止。。3.5.分析結(jié)結(jié)果查查看（3）算算出屈屈曲臨臨界載載荷的的數(shù)值值：對(duì)對(duì)于非非線性性屈曲曲分析析，我我們就就是需需要系系統(tǒng)求求解發(fā)發(fā)生終終止，，如果果系統(tǒng)統(tǒng)正常常求解解結(jié)束束，就就意味味著：：或者者是目目前的的荷載載水平平不會(huì)會(huì)使結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)生失失穩(wěn)，，或者者是結(jié)結(jié)構(gòu)受受力特特性的的確不不會(huì)失失穩(wěn)，，或者者由于于設(shè)置置不合合理導(dǎo)導(dǎo)致意意外的的數(shù)值值干擾擾。對(duì)于本例例題，求求解終止止的位置置，最后后一個(gè)收收斂的時(shí)時(shí)間步，，通過(guò)檢檢查GUI界面下方方的圖表表，可以以看到是是0.91185秒。那么么由于默默認(rèn)的求求解總時(shí)時(shí)刻是1秒，那么么就相當(dāng)當(dāng)于載荷荷加載的的91.185%時(shí)，還是是收斂的的，沒(méi)有有失穩(wěn)。。而超過(guò)過(guò)91.185%則發(fā)生失失穩(wěn)從而而無(wú)法收收斂。因因此，推推算出結(jié)結(jié)構(gòu)非線線性屈曲曲的臨界界載荷約約為2224.1*91.185%=2028N。3.5.分析結(jié)果果查看另外，特特別提示示，如下下圖，查查看該梁梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)的應(yīng)力力水平，，可以發(fā)發(fā)現(xiàn)在求求解時(shí)間間步0.566秒附近，，結(jié)構(gòu)應(yīng)應(yīng)力為213Mpa，已經(jīng)處處于普通通鋼材的的屈服極極限。而而在之后后，應(yīng)力力會(huì)發(fā)生生顯著增增長(zhǎng)，可可以認(rèn)為為結(jié)構(gòu)很很快將進(jìn)進(jìn)入塑性性，從而而也會(huì)引引起位移移急劇增增長(zhǎng)導(dǎo)致致失穩(wěn)破破壞。因因此，若若加入金金屬塑性性行為，，屈曲臨臨界荷載載將會(huì)是是1300N左右。3.6.使用重啟啟動(dòng)技術(shù)術(shù)，重新新設(shè)置參參數(shù)后繼繼續(xù)求解解使用重啟啟動(dòng)技術(shù)術(shù)，可以以讓ANSYS在之前求求解中止止的時(shí)間間步（子子步）基基礎(chǔ)上，，繼續(xù)進(jìn)進(jìn)行求解解計(jì)算，，而無(wú)需需從零開(kāi)開(kāi)始。這這樣可以以在求解解過(guò)程中中遇到收收斂問(wèn)題題時(shí)，停停下來(lái)檢檢查模型型或重新新設(shè)置求求解參數(shù)數(shù)，然后后再繼續(xù)續(xù)求解。。3.6.使用重啟啟動(dòng)技術(shù)術(shù)，重新新設(shè)置參參數(shù)后繼繼續(xù)求解解（1） 設(shè)置置重啟動(dòng)動(dòng)時(shí)間步步點(diǎn)，并并修改求求解參數(shù)數(shù)：由于于上一次次的計(jì)算算，設(shè)置置了重啟啟動(dòng)點(diǎn)為為Manual，要求每每一個(gè)時(shí)時(shí)間步（（子步））均保留留重啟動(dòng)動(dòng)文件。。因此，，我們可可以任選選一個(gè)時(shí)時(shí)間步（（子步））來(lái)重啟啟動(dòng)求解解。本例例中，設(shè)設(shè)置為從從第20個(gè)子步的的結(jié)果繼繼續(xù)求解解，具體體的重啟啟動(dòng)點(diǎn)設(shè)設(shè)置如下下圖。另另外，如如下圖中中，也要要設(shè)置相相應(yīng)的數(shù)數(shù)值阻尼尼，來(lái)克克服結(jié)構(gòu)構(gòu)失穩(wěn)后后的收斂斂性問(wèn)題題，使得得求解能能跨過(guò)失失穩(wěn)階段段，進(jìn)入入后屈曲曲繼續(xù)承承載階段段。3.6.使用重啟啟動(dòng)技術(shù)術(shù)，重新新設(shè)置參參數(shù)后繼繼續(xù)求解解（2） 執(zhí)行行重啟動(dòng)動(dòng)求解：：在“NonlinearBulkling””工況下的的【Solution】】欄，用鼠鼠標(biāo)右鍵鍵，彈出出菜單選選擇Solve求解。系系統(tǒng)將繼繼續(xù)進(jìn)行行重啟動(dòng)動(dòng)求解，，基于第第20個(gè)子步的的結(jié)果，，繼續(xù)計(jì)計(jì)算。可可以看到到，由于于設(shè)置了了數(shù)值阻阻尼，所所以可以以很快求求解完成成。3.6.使用重啟啟動(dòng)技術(shù)術(shù)，重新新設(shè)置