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什么是結構分析

在固體力學領域,結構分析是對結構在一定載荷條件下的響應及其行為的分析。結構或組件可以由多個子組件組成。結構工程師的目標是分析所有子組件,但也分析整個結構.這可以通過通常嘗試回答以下問題來實現:

應力、應變和材料行為

在結構分析方面,應力和應變是兩個非常重要的量。

在實體中,應力 (σ) 定義為材料內反對任何外部載荷并穿過任何給定橫截面 (A) 的內力 (F):
σ=F/一個

任何受力的固體都會發生變形。應變(ε)是一個無量綱量,用于量化材料在應力下的相對變形。應變表示為:

ε=dL/L

其中L是實體單元的未變形長度,dL是其相對變形。

推導給定構件的應力和應變是結構分析的主要目標。但是,還有其他同樣重要的數量和分析類型。典型的例子是固有頻率和振型、振動響應、屈曲、斷裂/裂紋擴展和材料疲勞。

應力和應變之間的關系是:ε=σ/E

其中 E 是一個特征材料常數,稱為彈性模量、彈性模量或簡稱楊氏模量。

它是線彈性固體材料的機械性能,用于量化材料的剛性/剛度。楊氏模量通常以壓力/應力單位(Pa 或 psi)表示。

說到材料,值得一提的是應力-應變曲線。在工程結構分析中,最常見的材料是延展性材料。由延展性材料制成的零件能夠在失效前承受過多的應變。圖1顯示了延展性材料的典型應力-應變曲線。

延展性材料的應力和應變曲線(應力-應變曲線)的定性示例
圖 1:延展性材料的應力-應變曲線 [1]

求解方法

在一個簡單的靜態確定問題的情況下,對結構分析很重要的反作用力和內力是使用簡單的靜力學計算的。這種情況非常簡單,因為未知數的數量通常等于保持平衡的方程數量。這是結構分析的最簡單示例。

但是,在某些情況下,未知數的數量超過了平衡方程的數量。例如,支撐懸臂梁可能就是這種情況。這現在是一個靜態不確定的問題,我們應該使用替代方法來解決它。

虛擬功、能量和矩陣方法

結構分析主要有三種方法:

  1. 虛擬工作方法:虛擬工作原理或虛擬力法是最早也是最強大的方法之一。它對于分析靜態不確定問題非常有效,并且可以超出線彈性材料范圍。
  2. 能量方法:能量方法(基于應變能)更通用,可以為復雜問題提供估計的解決方案。當不存在或難以獲得確切的解決方案時,這些方法特別有用。
  3. 矩陣方法:計算機和數值計算的進步導致了基于計算機的技術的發展。撓度和剛度方法屬于這一類。

功法和能量方法通常可以手工解決,通常適用于更小、更簡單的組件。矩陣方法在需要分析較大組件(即飛機)的現代結構工程中非常有用。一個子類別,或者換句話說,矩陣方法的演變,是有限元方法(FEM)。

FEM 特別適用于表示現實生活模型的連續體結構。請務必閱讀我們關于有限元分析的文章。這將幫助您了解 FEM 在實際工程問題中的工作原理。

結構分析類型

結構分析是一個廣泛的領域,涵蓋了各種類型的分析方法和技術,用于研究和理解不同類型的結構。以下是一些常見的結構分析類型:

靜態分析

靜態分析類型允許對一個或多個實體分量中的位移、應力和應變進行不受時間限制的計算。結果是施加的約束和載荷的結果,例如軸承、重力、力等。

結果使工程師能夠評估感興趣的組件是否以不希望的方式變形。將有助于了解是否發生將構成威脅和風險的嚴重壓力狀態。隨意查看以下螺栓法蘭 示例以了解靜態結構分析示例。

使用云仿真對螺栓法蘭進行靜態結構分析
螺栓法蘭 – 靜態分析

動態分析

動態分析類型允許對一個或多個實體構件中的位移和應力/應變進行隨時間變化的計算。將其與簡單的靜態分析進行比較,現在它有所不同,因為慣性效應也通過時間變化被考慮在內。

結果允許工程師分析單個時間步以及作為時間函數的動態性能。與靜態分析類似,模型相對于最大允許應力和變形的充分性可以隨時間推移進行評估。

熱機械分析

當嘗試計算組件或裝配體的組合熱和結構行為時,熱機械分析是有益的。它實際上有助于計算由熱載荷和結構載荷組合引起的固體應力。熱和結構結果的計算是連續的。該過程通常從熱步驟開始,然后作為連續結構步驟的輸入。它本質上是熱分析和結構分析的結合。

研究火花塞或截止閥等部件的熱沖擊包括典型的熱機械應用示例。

使用模擬對手套閥進行熱機械(熱襪)分析
截止閥的熱沖擊 – 熱機械分析

彈性分析

彈性分析關注結構在彈性范圍內的響應,即當受力后可以完全恢復原狀。這種分析通常用于輕負荷和小變形情況 。

非線性分析

非線性分析包括各種方法,用于考慮材料非線性、幾何非線性和大變形情況。這包括大位移、大應變和接觸問題的分析。

流體-結構相互作用(FSI)分析


FSI分析考慮了液體或氣體對固體結構的影響,以研究例如風力發電機葉片、橋梁在水中的振動等情況。

疲勞分析


疲勞分析研究結構在重復載荷下的耐久性和壽命。這對于了解結構在實際使用中的耐久性至關重要。

穩定性分析

穩定性分析用于確定結構在受力后是否會失去穩定性或產生屈曲。這在建筑和橋梁設計中特別重要。

電磁場分析

電磁場分析用于研究結構在電磁場中的行為,例如在射頻設備或電磁波傳輸系統中的應用。

這些是結構分析的一些主要類型,每種類型都針對不同的問題和應用領域。具體的分析類型取決于研究的目的、結構的性質和所面臨的挑戰。工程師和科學家使用這些分析方法來評估結構的性能、確保其安全性,并進行設計和優化。

結構分析的軟件

進行結構分析需要使用專門設計的軟件工具,這些工具可以用于模擬、分析和設計各種類型的結構。以下是一些常用的結構分析軟件:

  1. ANSYS:ANSYS是一個強大的有限元分析軟件,廣泛應用于工程、科學和其他領域。它提供了豐富的建模和分析功能。
  2. Abaqus:Abaqus是另一個有限元分析軟件,適用于多種結構力學問題,包括靜力學和動力學。
  3. STAAD.Pro:STAAD.Pro是用于建筑結構分析和設計的軟件,特別適用于鋼結構和混凝土結構。
  4. SAP2000:SAP2000是用于結構分析和設計的軟件,適用于多種工程項目,包括橋梁和建筑物。
  5. ETABS:ETABS是專門用于建筑結構分析和設計的軟件,適用于多層建筑和高層建筑。
  6. SolidWorks Simulation:SolidWorks Simulation是SolidWorks CAD軟件的一部分,用于進行結構、熱、流體和動力學分析。
  7. COMSOL Multiphysics:COMSOL Multiphysics是一個多物理建模和仿真軟件,可用于多種結構分析問題。
  8. OpenSees:OpenSees是一個開源的地震工程模擬軟件,用于分析結構在地震事件中的行為。
  9. LS-DYNA:LS-DYNA是一個非線性有限元分析軟件,廣泛用于模擬高速碰撞和爆炸等極端條件下的結構響應。

這些軟件工具提供了各種功能,可以用于不同類型的結構力學問題,從簡單的靜力分析到復雜的動力學和非線性分析。選擇合適的軟件取決于具體的應用領域和分析需求。結構分析軟件通常由專業工程師和科學家使用,以優化設計、評估性能和確保結構的安全性。

影響結構分析的因素有哪些?

結構分析的準確性和可行性受到多種因素的影響,這些因素需要在分析過程中考慮和管理。以下是一些影響結構分析的關鍵因素:

  1. 材料特性:結構分析中的材料性質,如強度、剛度、彈性模量、泊松比和塑性行為,對結構的行為產生重要影響。不同材料具有不同的特性,需要在分析中準確考慮。
  2. 外部載荷:外部載荷包括靜載荷(例如重力)、動載荷(例如風荷載、地震荷載)和溫度變化。這些載荷對結構的應力和變形產生影響,需要在分析中準確模擬和評估。
  3. 幾何形狀:結構的幾何形狀、尺寸和布局對其剛度、振動頻率和模態形狀產生重要影響。幾何參數的變化可以導致結構的不同響應。
  4. 支持和邊界條件:支持和邊界條件定義了結構的受力和固定方式。不同的支持和邊界條件可以導致不同的結構響應,因此需要準確建模和定義。
  5. 結構缺陷:結構中的缺陷、裂紋或損傷會對其強度和穩定性產生影響。這些缺陷需要在結構分析中進行評估和管理。
  6. 環境因素:環境因素如濕度、溫度和化學腐蝕也會影響結構的耐久性和穩定性。這對于長期暴露在惡劣環境中的結構尤為重要。
  7. 載荷歷史:載荷的歷史記錄對結構的疲勞壽命和可靠性分析至關重要。重復或變化的載荷歷史可以導致結構的疲勞破壞。
  8. 數值方法和模型精度:選擇適當的數值方法、模型細化和元素類型對分析的準確性和可行性至關重要。不合適的模型選擇和網格劃分可能導致誤差。
  9. 軟件和計算資源:使用的結構分析軟件和計算資源的性能和可用性對分析的速度和復雜性產生影響。較復雜的模型可能需要更多的計算資源。
  10. 設計和參數變化:結構的設計和參數變化會對分析的結果產生重大影響。在設計過程中的調整和改進需要進行分析以評估其效果。
  11. 人為因素:分析的準確性也受到執行分析的工程師或科學家的經驗、技能和專業知識的影響。正確的模型建立和參數設置對準確的分析結果至關重要。

綜合考慮和管理這些因素是確保結構分析的準確性和可行性的關鍵。結構工程師和分析師需要綜合考慮這些因素,以便有效地評估結構的性能、確保其安全性,并進行設計和優化。

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