结构非线性分析初认识
,既做区分,应有必要。
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
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。
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
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