练习13:支架屈曲分析

本案例是一个支架面内受载屈曲问题,介绍引入初始扰动至后屈曲分析中的新方法。

问题描述

支架一端固定,受集中荷载作用;尺寸如图,厚0.004m。
厚度比特征尺寸,0.004/0.06=0.066,故考虑为薄壳,假设为小应变。

材料信息

Aluminum;杨氏模量70GPa;泊松比0.3.

工作目录

选择File > Set Work Directory设定工作目录

几何模组

单击Open,从工作目录选择Bracket.cae并打开

上图的分割是为了布局网格,对于涉及弧形或者曲边几何,我们考虑其角度不超过90°(即圆形考虑四等分),否则加以分割。按照上图分割,有利于布置弯曲段的网格,保证网格均匀不歪曲。

分割有许多原因,但这里是出于网格考虑。软件自动将发了个以后的区域绑定起来,所以无需担心断开。

属性模组

绿色,默认指示为几何已经赋予了属性,除非你自定义修改过。

装配模组

源文档已经完成组装,跳过即可,注意实际操作,哪怕是只有一个部件,也需要装配。

分析步模组

我们从模型树可以看见两个模型:特征值屈曲分析和载荷位移分析。先执行特征值屈曲分析,为后面载荷位移分析提供有用的信息。比方说,特征值屈曲分析会告诉你屈曲模态(可能的样子)以及临界屈曲载荷。
临界指的是?你可以理解为它的前后,结构处于两种或者以上不同的状态,是一个分界点。

切换至Step模组,建立屈曲分析程序,请求输出5个模态。源文件已经帮大家定义好了,观察下图:

几何非线性是关闭的,且不允许我们改变,因为我们执行的是特征值屈曲分析,不考虑非线性因素。如果你给非线性因素,如非线性本构或者接触,软件仍然以线性求解。

  • 定义载荷

切换至Load模组,在Step-1分析步施加集中载荷,其中施加的对象已经帮大家建立好集合,直接选择就好。
  • 定义边界

依然处在Load模组情况下,点击Create Boundary Condition,边界条件在.cae档里面已经有定义,如果感兴趣可以查看定义过程。

交互模组

无需定义此项,跳过即可

网格模组

切换至Mesh模组,注意网格划分与单元分配是处在同一个模组下。

使用的单元类型为S8R5。

分析任务

切换至Job模组,新建分析任务直接提交即可。

可视化模组

切换至Visualization模组

  • 整体位移

强烈建议大家看动画,比较直观做出判断。上图动画可见,XY平面摆动,即它的面外位移是全局Z向的。特征值为-0.70454,第一次见到负的。临界屈曲载荷可以计算为:-704.54 (-0.70454 x 1000)。
  • 模态跳转

提供序号1,你可以手动上一个或者下一个模态,适合于观察比较少的。对于数量巨大的,或者调整上一步或者下一步需要按好久,建议使用序号2,直接跳转你需要的模态(输入模态阶次)。
注意上图:第二阶模态的特征值变为1.4444,大于第一阶,并且为正值。注意到下图左侧施加方向与我们进行特征值屈曲分析施加方向相反,因为特征值屈曲分析告诉我们一阶特征值是负数,意味着需要反向加载才会出现屈曲模态的样子。

一阶由于方向与施加的方向相反才可能产生对应的模态,所以这里忽略一阶,而二阶刚好与一阶同阶(且阶次最低),所以选择二阶作为最低感兴趣的阶次。

载荷位移分析

使用Static, General来执行,开启几何非线性、设定初始增量和最大增量,详情可查看文档设置,这里不截图赘述。
指定任意大于临界屈曲载荷的载荷即可,第二阶屈曲模态对应的临界荷载为1444.4N,这里指定施加的屈曲荷载为2000N。直接修改文档即可
根据前面的几次屈曲分析,我们有经验了,需要引入合适的初始扰动方可进行屈曲分析,否则即便是高于临界屈曲载荷,结构也不会发生屈曲。
  • 引入初始扰动

引入初始扰动的方法有很多,这里介绍一种新方法。本次采用的方法是:引入特征值屈曲分析结果的屈曲模态进行线性叠加。载荷位移分析将会读取结果文件的位移值,我们需要通过修改关键字文件,将请求信息添加至特征值屈曲分析的结果文件中。

*Output关键字后(这个模块后,不是这个keyword紧挨着后面),使用Add After放置光标(你需要点击一下此项)。

输入如下字段:

*NODE FILEU

注意,我们是修改特征值屈曲分析的模型。*NODE FILE用于选择节点变量,将其写入到结果文件。


修改载荷位移分析模型文件,目的是从结果文件读取节点位移。同样的进入方法,在边界*Boundary模块修改。*Step之前使用Add After放置光标位置,输入如下字段:

*IMPERFECTION, FILE=Eigen, STEP=12,0.000004

*IMPERFECTION用于引入几何扰动到后屈曲分析的模型中,Eigen为FILE的参数(特征值屈曲分析的结果文件名),STEP=1,即告诉软件具体的分析步。2,0.000004为屈曲模态的阶次和缩放系数(取第二节模态,缩放0.000004)。

屈曲模态缩放系数是怎么定的?设定缩放系数为0.1%的支架厚度(0.004X0.1%)。


以上就设置好了需要的内容,接下来就开始分析了。我们修改了特征值屈曲分析的模型,所以需要重新提交。点击对应的任务名,然后提交计算即可。

基于载荷位移分析模型,建立新的分析任务

可视化后处理

  • 位移(U3)

面外位移很小,结构没有发生屈曲。可能的原因有:引入的扰动太小或者增量太大没有捕捉到屈曲(如果一步就跨过去呢),首先尝试缩小增量步。

设定初始增量为0.01,最大增量为0.05,重新计算。(注意,我们修改的是载荷位移分析,不是特征值屈曲分析)

位移大了很多,结构发生屈曲。有人说,为什么位移小或者没有位移就说结构没有屈曲,有相当的量就说结构发生屈曲。别忘了结构屈曲的定义,必须具有相当量的位移(这里相当量的量,是指与结构本身的特征尺寸相比较,不是你目测分析结果的大小)。

  • Force VS Displacement

目标对象为施加荷载的节点,需要它的位移和荷载之间的关系。(选择载荷施加方向为荷载方向,面外方向为位移方向)

为了进一步探究几何扰动的影响,这里将曲线重新命名为Imp_01P。

观察上图,载荷达到1.5E3之前,刚度极大。载荷位移分析预测的与特征值屈曲分析基本上一直(1444.4N),约误差3.7%,可以认为是一致的。

  • 扰动影响

上面是0.1%的支架厚度,这里进一步尝试1%的支架厚度,即1%X0.004=0.00004。直接修改特征值屈曲分析的关键字,这里就不赘述,参照前面修改数据即可。同样,如果是10%的呢,一样的方法,只是需要对应修改关键字。(修改的是载荷位移分析模型)
*IMPERFECTION, FILE=Eigen, STEP=12, 0.00004
*IMPERFECTION, FILE=Eigen, STEP=12, 0.0004
三种不同的扰动曲线关系如上。曲线表明,0.1%的初始扰动会有很大的刚度(曲线很陡峭),10%的初始扰动,刚度逐渐柔和。如果进一步增大初始扰动,曲线会进一步变得平顺。刚度随初始扰动变化很缓慢(变大100倍,0.1到10)。

模型文件下载:

https://cloud.189.cn/t/yqum6jRriMja (访问码:hs6k)

引入初始扰动至后屈曲分析中的新方法,忒好奇的是初始屈曲模态和缩放因子是怎么确定呢,凭心而动?

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