结构非线性分析初认识

从开始学习材料力学以及用ANSYS模拟,到目前为止,绝大多数都是线性问题。相对于非线性而言,先行问题求解容易得多。可到底什么是非线性问题呢,为什么会区分线性与非线性问题呢,我怎么觉得这世界上就只存在一种问题呢

,既做区分,应有必要。

为什么区分线性与非线性

为什么说这世界上只有一种问题呢,因为于工程师而言,面临的几乎总是去解决问题,而非享受成果,故此,你的问题就是“你要解决问题”。为什么要那么重视经验,而不是说你看过几本著作呢,因为实际问题大多数比资料上要复杂得多。做一个不太恰当的比喻,实际问题往往对应着非线性,书本知识对应线性。我们是要用现有简单知识,去剖析复杂的实际问题。因此,我的理解是“线性作为非线性的一种妥协产物”。一直以来都认为有限元也是源于实际妥协的产物。

线性分析是实际问题的近似。其实严格意义上讲,非线性也是实际问题的近似。没有人敢说能用哪一套具体可行的方法能够如实的描述现实世界,只是线性分析相比非线性考虑的因素更加局限,适用范围更窄,但同样也是近似求解。你再怎么精确,都逃离不了有限元是近似求解的本质,所以如果一味的追求精度本来就脱离了初衷。

线性问求解是着眼于实际问题求解,非线性分析更多着眼于理论研究。大胆猜测下,在实际工程分析中,材料力学肯定比弹塑性力学广得多的多。从学习角度讲,材料力学成本比弹性力学低得多,多数人能掌握材料力学。从解方程角度讲,材料力学构件代数方程组,弹塑性力学建立偏微分方程组。而材料力学有一节讲到梁的弯曲问题,欧拉伯努利梁忽略了横截面剪切应变,因为在满足一定条件下弹塑性求解与之误差是极小的,而实际工程对象往往都满足这个特定的条件(跨高比)。实际在于运用,安全高效可靠即可,无需那么高的精度,这是线性的一方面。可有的实际问题本来就是非线性,你没办法简化成线性,一旦你简化了,问题性质就发生了变化。如材料力学假设线弹性材料,各向同性,那么实际怎么会都是这种材料,那么多塑性材料呢,所以有些实际问题又注定逃离不开非线性问题的研究。在振动问题中,很多时候都是研究平衡位置附近的微小振动,即线性振动。这在实际运用中占有极大一部分,但是无法排除有一些非线性的情况。像摄动之类的方法,更多的应用于理论研究。

线性求解可作为非线性的先驱。在实际问题中,如果你想做非线性问题分析,特别是一些复杂的问题,很多时候都是先做线性问题研究。线性通常是一种理想化条件下的产物,即对应着一种特殊情况。可以从线性看出问题研究的趋势,如你常可以通过线性屈曲来观察结构的可能屈曲结果,根据特征值的分布特点判断是否需要做非线性,亦或者直接用线性分析的结果,使结构设计获得一个更高的设计裕量。没办法,线性方程组求解快,能够让工程师做出一个初步判断。

线性结构分析

像单元划分、分析维度划分以及现在的非线性与线性划分,在很大的一个方面,都是为了简化问题,提高效率,但并不仅限于此。所谓的线性分析,即结构对于扰动产生的响应与结构受到的扰动是成固定的比例关系的。如材料力学里面的胡克定律,位移与载荷成正比,这个固定的比例就是结构的刚度。这个关系最大的优势在于轻而易举能够由已知推未知,如1000N产生10mm线位移,那么2000N就产生20mm位移。
线性分析的比例特性。正如上方提到的例子,响应与扰动呈现固定的比例关系。在单杆拉伸(一维问题)中,这个比例关系为恒定刚度值。如果是三维空间问题呢,采用广义胡克定律,那么就对应着常值刚度矩阵,即整个刚度矩阵都是固定的常量。
线性分析的叠加特性。我们在学习梁的组合载荷时候,曾经就是用过ansys自带的叠加模块【Design Assessment】,这表示对于叠加特性的使用。材料力学里面讲解弯扭矩图之时就有一种方法,叠加法。这些都是对于叠加特性的使用,让雨果仔细思考,我们发现其实比例特性本质还是叠加。只不过是同类型完全一样的叠加而已,可以说是狭义的叠加特性运用。
如果只存在着线性问题,这个世界也许早就被穷尽了,也就不存在着神秘可言。非线性捉摸不定,让一切变得未可知,可能某种程度上让这个世界活得更久远,也让我们对未来有更多的期待。
非线性结构分析

知道了什么是线性,那什么是非线性也就一目了然了。不满足线性的即是非线性咯

,这个太粗犷了。通俗理解,响应与扰动没有固定的比例关系。对照着前面的内容来看,如果是一维问题,那响应与扰动之间不再是固定常数。如果是三维问题,响应与扰动之间的刚度矩阵不再是常量矩阵。实际问题大多是又是三维的,所以以后要注意说非线性要想到指的是刚度矩阵在变化着的。ANSYS分析中,或者说大多数有限元分析软件,通常将非线性归为三类:几何非线性、材料非线性以及状态非线性。刚度是位移的函数,意味着响应受到载荷加载过程有关。

同一个分析问题,既可能做线性,也可能做非线性,更有可能那两个都合适。我们使用线性分析无法获得有效解的情况下,才考虑使用非线性更进一步,尽可能考虑线性分析。

几何非线性

几何非线性指的是分析结构的几何发生变化会导致结构刚度变化,即结构的形变会影响结构的刚度。结构的形变是用啥表示的,节点的位移,所以刚度矩阵为节点位移的函数关系。这些是粗略的理解,不做精细化的深究,对于零基础简单实用。常见的有大变形、大转动、大应变、应力刚化等,

材料非线性

材料力学开篇假定线弹性材料,即应力应变关系是一条斜直线,其斜率为弹性模量。材料非线性指的是一种非线性材料,即应力应变关系不再是一条直线(不再是Hooke's law: σ = Eε),而是曲线以及其他双折线等情况。而应力应变之间的关系通常用其切线斜率示意,因此刚度矩阵中弹性模量应该是一直在变化的。做分析就需要定义合适的材料模型,常用的可能是自己直接定义σ-ε曲线,或者通过试验测试数据拟合曲线。常见的有:弹塑性材料、蠕变.....

状态非线性

状态非线性指的是结构本身或者与周围环境之间的“交流”影响自身刚度。所谓与周围环境之间的交流,指的是与自身之外的对象如何建立连接,如常见的接触关系,所以通常是装配体中,需要定义接触关系。结构本身主要指的是单元的生死,单元的刚度会发生极大的变化。常见的如模具冲压、锻造、轧制、焊接以及涂层等等。
最后我必须要吐槽下:几何非线性太不够意思,大变形、大应变、大转动要考虑,那请问多大才称之为大?多小称之为小,目前无人可以明确答案,太需要经验了。感觉这个应该是最麻烦的


注:仅记录学习FEM的一个过程,表达的是个人观点与认识,欢迎一起讨论学习。有疑问可以私,本号没有留言功能,无法互动。本人小白一枚,正在努力的路上

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