H型钢柱非线性屈曲分析.docx

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1、Ol背景简介屈曲是结构或构件的一种失效模式，表现为材料处于正常应力水平时结构整体或局部发生失稳破坏，工程结构中最为常见的是压屈失稳，如下图中的细长压杆、薄壁水箱和混凝土柱。从数学上来讲，结构在静载作用下出现屈曲（失稳）可以归结为平衡方程的多值性问题，如图所示，在某一负载时出现了一个分叉点和多个解决方案，如果承载力得以继续增加，是最有利的情况，但也有可能沿易变和中立的路径发展，在现实生活中，当然只存在一种路径，将由能量最小化准则来决定。使用传统线性理论计算的解通常不是首选解，或者说，在分叉点附近（失稳临界荷载），任何微小扰动都有可能使结构往失稳的方向发展。工程设计中当然不允许这种不确定性存在，因

2、而屈曲分析的主要作用就是研究结构在特定荷载下的稳定性以及确定结构失稳的临界荷载，从而保证结构或构件处于稳定状态。02ABAQUS屈曲分析方法概述线性屈曲分析(buckle)：主要用于对缺陷不敏感结构进行临界荷载和屈曲模态的评估，但无法查看后屈曲状态。非线性屈曲分析(static,riks)：主要用于评估临界荷载以及后屈曲状态，其求解用弧长量代替时间量，可用于对缺陷敏感结构进行带初始缺陷的屈曲分析，但如果结构中存在接触，易出现收敛性问题。通用静力分析，阻尼稳定(StatiC,stabilize)：可以计算结构刚度不变或增大的结构，在静力分析中加入阻尼，有助于收敛，如果结构出现屈曲或突然垮塌，容易

3、出现收敛性问题。隐式动力分析(dynamic)：将屈曲问题作为隐式动力问题来处理，适合接触脱开的问题，但假如模型中的接触对较多，容易出现收敛性问题。显示动力分析(dynamic,explicit)：将屈曲问题作为显式动力问题来处理，能够适应复杂的模型和接触对，收敛效果好，但计算量大、耗时长，计算完成后需要评估结果是否可靠。主要介绍最为常用的前两种求解方法。线性屈曲分析*Buckle在ABAQUS中，基于buckle分析步的线性屈曲分析被称为特征值屈曲预测(Eigenvaluebucklingprediction),基本分析流程如图所示：/初始条件.，广义分析步(可选)等基础状态/V大变形几日、

4、应力.V可以看出，在进行buckle分析步之前，可按需进行通用分析步，以获得合适的模型基础状态，ABAQUS在计算特征值屈曲问题时会考虑预加载的荷载刚度，因此必须保证预加荷载不能超过临界屈曲荷载。在通用分析步中也可以使用非零边界条件预加载结构，但非零边界应用在特征值屈曲分析中将会影响应力增量和微分初始应力刚度，必须小心检查特征值分析结果。在特征值提取过程中，非零边界将被作为约束条件，从而可能影响模态形状，除非设置边界条件为屈曲模态计算，即在1.Oad模块中定义边界条件适用于应力扰动、屈曲模态或二者皆有。令EditBoundaryConditionName:Type：Step:Region:BC

5、-ISymmetry/Antisymmetry/EncastreStep-I(Buckle)(Picked)QUseBCforStressperturbationandbucklingmodecalculationStreSSPertUrbationOnIy应力扰动1(?BucklingmodecalculationonlyIbuckle分析步中提供了两种特征值求解方法，1.anczos和Subspace迭代，当要求解的特征模态少于20个时，采用SUbSPaCe迭代计算更快，并且当刚度矩阵不确定，比如模型中包含连接单元、接触单元、分布式耦合约束等时，1.anczos方法将不能适用。在特征值屈曲

6、分析步中施加的荷载仅用以表现线性扰动，其值大小并不重要，屈曲临界荷载二特征值X施加荷载值。此外，特征值屈曲分析中模型的响应是基于基础状态的线弹性刚度，故所有非线性/非弹性的材料属性都将被忽略。非线性屈曲分析*Riks相对于线性屈曲分析，非线性屈曲分析可以考虑几何、材料和边界条件等非线性行为，ABAQUS中称为不稳定倒塌和后屈曲分析(UnStableCollapseandPostbucklingAnalysis),基本分析流程如图所示：1采用riks法求解后屈曲问题时，必须将上面提到的屈曲时的求解分叉问题转化成连续响应问题，一般采用引入初始缺陷的办法，如此使得临界荷载达到前，屈曲模态就有一定响应

7、。初始缺陷可分为几何缺陷以及荷载缺陷，对于几何缺陷,除非已知缺陷的精确形状，一般都采用前几阶（线性）屈曲模态叠加而成；而荷载缺陷，也应该在期望的屈曲模态下扰动结构，如下图所示：图521-2框架结构计算模型h-层高,A-水平力,乂.假想水平力,行构件中点处的初始变形值Riks分析步选项卡中各参数含义释义如下：03案例练习对于下图所示的H型钢柱，首先进行线性屈曲分析，输出屈曲模态，用作后续非线性屈曲分析的初始几何缺陷，比较二者计算得出的屈曲临界荷载，以及进行缺陷敏感性分析。底部固支顶部自由，Fn=IkNH型钢柱的截面为420X300X12X2Omm,高5m,采用壳单元模拟（S4R）,钢材使用弹塑性

8、本构，参数如下。Yoimg,sModulus(MPa)206000Poisson,sRatio0.28YieldStress(MPa)PlasticStrain36004660.05建模、装配、网格划分等步骤同一般静力学分析，不再赘述，在SteP模块,分析类型选择“1.inearperturbation:BUCkIe”，请求特征值个数设置为3,其余默认。在1.Oad模块，设置参考点耦合柱顶部壳边，并对参考点施加IkN的集中荷载（压力）。因为后续分析要用到Buckle求解的屈曲模态作为初始缺陷参考，故需要添加关键字来定义输出屈曲变形位移的需求，在*Endstep之前插入关键字：*NODEFI1.

9、E,G1.OBA1.=YES,1.ASTMODE=IU即只输出最低阶模态形状（节点位移），计算完成后可以在工作目录下找到Jobfl文件，即为该节点位移文件。这里额外讨论，钢标5.2节对于结构整体初始几何缺陷和构件的初始缺陷都提出要求，如图。对于结构整体初始缺陷，规范建议可按最低阶整体屈曲模态取用，但有研究认为对于某些缺陷敏感性结构，屈曲后屈曲模态相互影响作用较大（表现为各阶屈曲特征值间隔很近），基于单一屈曲模态作为初始缺陷往往会产生非保守的结果，此时可以通过调整各个屈曲模态的比例因子大小，调整缺陷大小，再执行不同缺陷幅值的分析以获得最不利的情况。小编认为规范这里作统一规定还是从易操作性出发，毕

10、竟如何确定各模态的比例因子以获得最不利情况比较复杂。而对于构件的初始缺陷，规范建议采用假想均布荷载进行等效简化计算，并规定了跨中处缺陷代表值的大小，此法应当是各构件屈曲模态未知时的简化算法，毕竟各构件在特定荷载作用下的屈曲模态并非一定如此，当有构件的线性屈曲分析结果时，还是应参考其屈曲模态，因为屈曲模态形状的初始缺陷对结构的稳定性最不利，这是一种较为保险的做法。表5.2.2构件综合缺陷代表值对应于表7.2.1-1和-7.2.1-2中的柱子曲线二阶分析采用的冬值Za类1/400b类1/350C类1/300d类1/250第1阶第2阶第3阶从图中可知在轴心受压情况下，H型钢柱第1阶屈曲模态为绕Y轴（

11、弱轴）的弯曲屈曲，第2阶屈曲模态为绕X轴（强轴）的弯曲屈曲，第2阶屈曲模态为绕Z轴的扭转屈曲，前三阶特征值分别为：1822.2、10789、11445。各阶特征值间隔较大，表示临界力对初始缺陷不敏感，后续分析只参考最低阶模态形状是合理的。可求得临界屈曲荷载二lF=1822.2kN,而由临界力欧拉公式计算临界屈曲荷载为：Pcr=w2El3.142206000X900662401829.3fcN(25000)注：因第1阶屈曲模态为绕Y轴的弯曲屈曲，故I取，对于底部固支，顶部自由的钢柱，计算长度系数U取2。可见buckle方法求解出的临界屈曲荷载与欧拉公式结果十分接近，经验证可靠。复制该模型，在St

12、eP模块将buckle分析步替换为“General：Static,Riks”分析步，打开几何非线性，分析终止条件中最大荷载比例系数设为20,弧长增量依次输入：0.1,IE-005,1,其余默认。然后编辑关键字引入初始几何缺陷，在*Step,name二分析步名称，nlgeom=YES之前插入如下关键字行：*1MPERFECTloN,FI1.E=线性分析作业名称,STEP=H,20即引入上述buckle分析结果第1阶屈曲形状的20倍作为初始几何缺陷，需要说明的是：buckle分析将位移结果进行了归一化处理，即屈曲模态的最大位移为1mm,故20倍屈曲模态即引入最大点位移为20mm,约为H/250。此

13、外在IOad模块修改加载为100kN（主要为减少计算时间，不影响结果）。Riks分析求解完成后可在历程输出里绘制1.PF-Arclength（荷载比例系数-弧长）曲线，如图所示：可知曲线第一次转折在ArCIength=U4,1.PF=I5.144处，即表明荷载为15.144XloOkN=I514.4kN时钢柱发生第一阶非线性屈曲，可见考虑了材料、大变形等非线性情况后，临界非线性屈曲荷载比线性屈曲荷载（1822.2kN）要小，即更易失稳。把*IMPERFECTION关键字中的缺陷因子分别修改为30、40,重复求解后得到如图所示的不同缺陷因子时1.PF曲线，由图可知初始缺陷越大，1.PF越小，但对

14、于本例，屈曲临界力对缺陷不是特别敏感（临界荷载比例系数随缺陷增加而下降不多）。此外，riks非线性屈曲分析还可以展示结构的后屈曲形态，如图所示为20倍模态缺陷、弧长增量=1073时，钢柱的屈曲形态：钢柱在屈曲后持续受荷，绕其弱轴压屈进一步发展。加rU916:00:03GMT0600202004注意事项（1）特征值屈曲分析（buckle）中，有时会出现负特征值，表示相反方向的荷载造成了屈曲，比如由于刚性体的局部屈曲，外部压力下的容器可能出现负特征值，即内压屈曲。（2）特征值屈曲分析理论是依赖于屈曲荷载引起的微小变形，大变形可在预加载中形成，如果屈曲荷载步中产生了大变形,就必须应用非线性的Hks分

15、析。（3）RikS算法不能得到特定荷载或位移处的结果，如需获得精确荷载、位移处的结果，需要在分析步的期望点重启动以定义一个新的非riks分析步。（4）对于涉及接触失效的后屈曲求解，riks方法通常不再适用，须引入惯性和黏滞阻尼力到动态或静态分析步以使求解稳定。附参考资料：Abaqus非线性屈曲分析方法通常情况下，我们只用关注产品结构本身的强度和刚度满足一定的要求或标准即可。但实际工程中，对于像细长类的结构、薄壁结构，我们还得考虑它的稳定性问题，这也就是我们通常所说的失稳问题或者塌陷问题。在有限元分析中，我们主要通过屈曲分析（BucklingAnaIysis）去判断发生屈曲的临界载荷大小。而这其

16、中根据实际结构和要求的不同，又分为线性屈曲分析（通常直接简称为屈曲分析）和后屈曲分析。当然，如何涉及非线性问题，后屈曲分析是必要的，不过对于后屈曲分析的实现方式也会更加麻烦一些，因为需要局部调整inp关键字达到目的，但只要掌握了关键点，依葫芦画瓢还是非常凑效的。在AbaqUS中，对于屈曲的计算考虑则依据结构的复杂性而定，简单的可以只考虑线性屈曲分析预估临界载荷大小;对于较复杂的模型，则可以考虑RikS法进行后屈曲计算，从而可获取屈曲以后的结构响应情况；但对于涉及接触脱开等特别复杂的问题，可能得借助Explicit来实现；而对于局部褶皱问题需要借助StaticStabilize来实现。Ol线性屈

17、曲分析线性屈曲分析用于预估临界失稳载荷和失稳模态，所求得的屈曲特征值与所加载的载荷大小相乘就是临界失稳载荷。当然，对完善结构的屈曲问题，线性屈曲分析也为后屈曲分析引入缺陷（扰动）做好准备，这是非常关键的。在Abaqus中，进行线性屈曲分析的方法是通过Buckle进行的。NamProTypeBuck8askOtfDescription:BuckingaalyKofthetubCrMUNlgom:OffE*2verUrzotSubspaceINUrnbrOfrtynvkmreqetd:10MaximumeigenvalueofinterestVectorsusedperiteration:18Ma

18、ximumnumberofiterations:50一般线性屈曲分析只需要关注第一阶屈曲模态，并根据计算所得的第一阶屈曲载荷因子预估使结构发生屈曲所需要的临界载荷是多大。但通常而言，线性屈曲分析得到的临界失稳载荷大小是保守的，偏大的。为了获取更加准确的结果，特别是复杂模型，就需要进行非线性屈曲分析（或称为后屈曲分析）。因此，通常会在线性屈曲分析中考虑添加关键字作为后屈曲分析的扰动引入参数。具体做法如下（注意关键字的插入位置和书写格式）：*OUTPUTREQUESTS4Restart.write,frequency=0Hnodefilei*FIE1.DOUTPUT:F-Output-I*Outp

19、ut,field.VariabIe=PRESE1.ECTEndStep再提交计算后，会生成相应的.f11文件，该.fil文件将在后屈曲分析中进行引用！02后屈曲分析后屈曲分析通常在线性屈曲分析后，通常的做法是将原线性屈曲模型复制生成新的模型，并调整和修改分析步和载荷工况、接触等。比如方筒的压溃，就需要修改为显示动力学分析,添加自接触关系等。当然最重要的是要引入缺陷扰动,即调用之前生成的fl文件。具体做法如下：“BOUNDARYCONDfTlONS*Na11w:Fbc*d,8oarBu1.SelfNCASTRf1其中，关键字中file后面的名称即调用的前面的.fil文件的名称，第二行第一个数字1

20、表示引入的是第一阶线性屈曲的扰动结果，0.5e-3表示引入的扰动量的大小。扰动量（或称为缺陷因子）的大小准确的做法是进行试验矫正，一般是按照经验的做法，取壳厚或杆长的l%o2%o.实际上，在一定程度上你也可以调整扰动量的大小进行试算并比对后屈曲状态和其他计算结果参数，如果结果变化不大，说明结构对缺陷的敏感性较低，反之表示相对敏感。当然，这个观点还有待深入考究。,上图中左图没有考虑引入扰动量，右图是考虑扰动量的结果。大家可以仔细观察下结果的区别。实际上右图在压溃的过程中，相对光滑，结果相对更加合理。当然，对于方筒这类实际上是通过显示方法实现的，更准确的讲是动力屈曲分析，所以我们还得判断动能、塑形耗散等能量参数，才能使结果更加准确。