在上一篇內(nèi)容中我們有介紹,線性分析是工程中評(píng)估受力情況下結(jié)構(gòu)性能的最常用方法。線性分析基于一定的假設(shè)(材料應(yīng)力應(yīng)變之間存在線性關(guān)系、小變形),當(dāng)結(jié)構(gòu)在載荷的作用下發(fā)生變形時(shí),由于形狀、材料、支撐關(guān)系等因素的影響,其剛度會(huì)發(fā)生變化。如果變形很大,則其形狀會(huì)發(fā)生變化;如果材料達(dá)到失效極限,則材料屬性將會(huì)變化。另一方面,如果剛度變化足夠小,則可以假定在變形過(guò)程中形狀或材料屬性沒(méi)有任何變化,這種假設(shè)是線性分析的基本原理,所以可以說(shuō)“剛度”這個(gè)詞定義了線性分析與非線性分析間的根本區(qū)別。
線性只是我們對(duì)復(fù)雜物理現(xiàn)象的簡(jiǎn)化,非線性才是客觀世界的常態(tài)。工程中遇到的一些復(fù)雜問(wèn)題如橡膠等超彈性材料壓縮,結(jié)構(gòu)高速碰撞、跌落,金屬加工成型等(上述問(wèn)題包括幾何非線性,材料非線性或接觸非線性),需要借助非線性分析去解決。眾所周知,Abaqus 以強(qiáng)大的非線性問(wèn)題處理能力而著稱,其求解非線性問(wèn)題不僅具有良好的收斂性,并且其計(jì)算精度也得到工程領(lǐng)域的認(rèn)可。今天我們介紹兩個(gè)平臺(tái)中基于Abaqus求解器的結(jié)構(gòu)力學(xué)角色:
Structural Performance Engineer 結(jié)構(gòu)性能工程師(以下簡(jiǎn)稱SFO)
Structural Mechanics Engineer 結(jié)構(gòu)力學(xué)工程師(以下簡(jiǎn)稱SSU)
01.Structural Performance Engineer
(SFO)結(jié)構(gòu)性能工程師
Structural Performance Engineer (SFO)結(jié)構(gòu)性能工程師是3DEXPERIENCE平臺(tái)上的力學(xué)分析角色,使用Abaqus Standard求解器(隱式求解器),相較于上期介紹的SLL,增加了非線性靜態(tài)、隱式動(dòng)態(tài)分析步和通用接觸功能。SFO支持以下類型的模擬:
線性靜態(tài)
模態(tài)分析
屈曲分析
熱-力耦合分析
諧波響應(yīng)
模態(tài)動(dòng)態(tài)分析
高級(jí)網(wǎng)格/高級(jí)單元
多分析步
非線性靜態(tài)
隱式動(dòng)態(tài)分析步
通用接觸
下面對(duì)SFO中的重點(diǎn)功能及使用場(chǎng)景做簡(jiǎn)述(其他功能如線性靜態(tài)、模態(tài)分析等與SRD\SLL一致,請(qǐng)參考上一篇MODSIM介紹內(nèi)容):
隱式動(dòng)態(tài)分析步
使用Abaqus Standard隱式求解器,隱式求解的特點(diǎn)是利用迭代的方法求解下個(gè)增量步的未知量,即對(duì)于一個(gè)問(wèn)題,隱式是將其看作一個(gè)整體,進(jìn)行矩陣的計(jì)算,迭代方法一般為Newton-Rapson法。隱式求解沒(méi)有條件穩(wěn)定,任何大小的時(shí)間增量皆可讓結(jié)果在一定范圍內(nèi),但由于采用的是迭代的方法,因此有計(jì)算收斂性問(wèn)題。隱式求解器適用于靜態(tài)、輕度/平滑非線性問(wèn)題和低速動(dòng)力學(xué)問(wèn)題(這些問(wèn)題通常都對(duì)應(yīng)力精度有很高的要求),如橡膠墊片單元密封問(wèn)題,輪胎穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)問(wèn)題,復(fù)合材料機(jī)翼裂紋擴(kuò)展等問(wèn)題。
02.Structural Mechanics Engineer
(SSU)結(jié)構(gòu)力學(xué)工程師
Structural Mechanics Engineer (SSU)結(jié)構(gòu)力學(xué)工程師是3DEXPERIENCE平臺(tái)上的高級(jí)結(jié)構(gòu)仿真角色,基于云端3DEXPERIENCE平臺(tái)使用,使用Abaqus隱式及顯式求解器。SSU可以幫助工程師對(duì)結(jié)構(gòu)的線性和非線性靜態(tài)、低速和高速動(dòng)態(tài)和熱仿真進(jìn)行研究,另外SSU的材料校準(zhǔn)功能有助于確保準(zhǔn)確的材料行為建模。SSU支持以下類型的模擬:
線性靜態(tài)
模態(tài)分析
屈曲分析
熱-力耦合分析
諧波響應(yīng)
模態(tài)動(dòng)態(tài)分析
高級(jí)網(wǎng)格/高級(jí)單元
多分析步
非線性靜態(tài)
隱式動(dòng)態(tài)分析步
通用接觸
顯式動(dòng)態(tài)分析步
準(zhǔn)靜態(tài)分析
隨機(jī)振動(dòng)
材料擬合
幾何清理
下面對(duì)SSU中的增加功能及使用場(chǎng)景做簡(jiǎn)述:
隨機(jī)振動(dòng)分析
隨機(jī)振動(dòng)分析是研究結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)在隨機(jī)激勵(lì)下響應(yīng)的方法,它在工程領(lǐng)域中具有重要意義,特別是在航空航天、汽車、機(jī)械和土木工程等需要考慮不確定性和環(huán)境激勵(lì)的領(lǐng)域。隨機(jī)振動(dòng)是指結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)受到的激勵(lì)是隨機(jī)的,即激勵(lì)的大小、方向和時(shí)間分布具有不確定性。這種激勵(lì)通常由自然現(xiàn)象(如風(fēng)、地震、海浪)或人為因素(如車輛行駛、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn))引起。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)分析,可以幫助評(píng)估結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的安全性,確保其在極端條件下的穩(wěn)定性和完整性。
在SSU中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析的流程與Abaqus類似,首先創(chuàng)建模態(tài)動(dòng)態(tài)分析步,通過(guò)模態(tài)分析可獲得構(gòu)件的固有頻率和振型,再創(chuàng)建隨機(jī)振動(dòng)分析步,定義并施加加速度功率譜密度。
準(zhǔn)靜態(tài)分析
準(zhǔn)靜態(tài)分析是一種用于模擬材料響應(yīng)隨時(shí)間變化的問(wèn)題的分析方法,適用于慣性效應(yīng)可以忽略的情況。準(zhǔn)靜態(tài)分析可以是線性的也可以是非線性的。在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中,系統(tǒng)在任意時(shí)刻都接近于平衡狀態(tài),因此可以將整個(gè)過(guò)程看作是由一系列極接近平衡的狀態(tài)所構(gòu)成。在Abaqus中,Abaqus/Standard里的準(zhǔn)靜態(tài)分析適用于分析蠕變、膨脹、粘彈性和雙層粘塑性等材料響應(yīng)問(wèn)題,除了常規(guī)的靜態(tài)分析輸出變量外,還特別為蠕變問(wèn)題提供了相關(guān)變量;而在Abaqus/Explicit中,能夠更有效地模擬高度非線性的準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題,會(huì)用于處理復(fù)雜的接觸問(wèn)題和大變形問(wèn)題,如金屬成型分析。
當(dāng)然,由于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程本質(zhì)上是長(zhǎng)期的,直接模擬其自然時(shí)間尺度上的事件在計(jì)算上不切實(shí)際,因此需要采取一些方式來(lái)加速模擬,例如可以通過(guò)人為提高加載速率或采用質(zhì)量縮放來(lái)實(shí)現(xiàn)。SSU中沿用了Abaqus的方法,準(zhǔn)靜態(tài)分析可以基于隱式/顯式求解器使用。
顯式動(dòng)態(tài)分析步
使用Abaqus Explicit顯式求解器,可以廣泛用于模擬動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。顯式求解僅考慮前一時(shí)刻的狀態(tài)量,不需要迭代;有條件穩(wěn)定,增量必須小于某一臨界值才能讓結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);不存在計(jì)算收斂問(wèn)題(大變形可收斂)?;谝陨咸攸c(diǎn),顯式求解特別適用于分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,例如手機(jī)和其他電子產(chǎn)品的跌落實(shí)驗(yàn)、彈道沖擊、汽車及子系統(tǒng)的沖擊、碰撞等。顯式求解還能用于金屬成型和多步驟成型模擬。
顯式求解器的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其高效的計(jì)算能力,尤其在處理具有復(fù)雜接觸和高度非線性的問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異。例如,在汽車碰撞分析中模擬車輛結(jié)構(gòu)的安全性和氣囊展開過(guò)程。顯式求解提供了自適應(yīng)網(wǎng)格功能,使其能夠模擬材料發(fā)生嚴(yán)重變形的問(wèn)題,如金屬成型。
除了本身的仿真功能以外,SSU還具備一些前處理功能如幾何特征清理,另外通過(guò)SSU也可以進(jìn)行材料參數(shù)擬合,根據(jù)物理測(cè)試數(shù)據(jù)創(chuàng)建真實(shí)的材料屬性,減少材料模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差,提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確。
以上就是本期內(nèi)容,下一期我們會(huì)介紹包含疲勞分析的結(jié)構(gòu)力學(xué)角色,敬請(qǐng)期待!