ANSYS 非线性分析指南(1) 基本过程 第一章结构静力分析 1. 1 结构分析概述 结构分析的定义： 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身、骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身、机翼等，同时还包括机械零部件，如活塞传动轴等等。 在ANSYS 产品家族中有七种结构分析的类型，结构分析中计算得出的基 本未知量- 节点自由度，是位移；其他的一些未知量，如应变、应力和反力， 可通过节点位移导出。 七种结构分析的类型分别是： a. 静力分析- 用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析 包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变，等。 b. 模态分析- 用于计算结构的固有频率和模态。 c. 谐波分析- 用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 d. 瞬态动力分析- 用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。 e. 谱分析- 是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD 输入 随机振动引起的应力和应变。 f. 屈曲分析- 用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态，ANSYS 可进行线性特征值和非线性屈曲分析。 g. 显式动力分析- ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复 杂的接触问题。 除了前面提到的七种分析类型，还有如下特殊的分析应用： ? 断裂力学 ? 复合材料 ? 疲劳分析
? p-Method 结构分析所用的单元：绝大多数的ANSYS 单元类型可用于结构分析。单元类型从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元 1.2 结构线性静力分析 静力分析的定义： 静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。可是静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响，如重力和离心力；以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷，如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷。 静力分析中的载荷： 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢，静力分析所施加的载荷包括： ? - 外部施加的作用力和压力 ? - 稳态的惯性力如中力和离心力 ? - 位移载荷 ? - 温度载荷 线性静力分析和非线性静力分析 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触、间隙单元、超弹性单元等，本节主要讨论线性静力分析，非线性静力分析在下一节中介绍。 线性静力分析的求解步骤 1 建模 2 施加载荷和边界条件求解 3 结果评价和分析
大跨度桥梁实用几何非线性分析 一.引言．现代大跨度桥梁等工程结构的柔性特征已十分明显，对于这些结构考虑几何非线性的影响己必不可少。并且，计算机能力的大大提高也使得分析大型复杂结构的非线性问题成为可行。80年代国外对几何非线性问题的发展已相当完善［1，2］，国内在这方面也做了不少的工作［4－6］在工程结构几何非线性分析中，按照参考构形的不同可分为TL（Total Lagranrian) 法和UL（Updated Lagrangian)法[1]。后来，引入随转坐标系后又分别得出 CR（Co-rotational)-TL法和CR－LU法[2,3]，在工程中UL（或CR-UL）法应 用较多。以前的文献大都对结构的几何刚度矩阵进行了复杂而详细的推导。从文中的分析可以发现，结构几何刚度矩阵的精确与否并不实质性地影响迭代收敛的最终结果，求解几何非线性问题的关键在于如何由节点位移增量准确地计算出单元的内力增量，而这一点以前文献都没有提到过。因此，本文的重点放在论述单元内力增量的计算上。工程上很早就开始使用拖动坐标系来求解大跨度桥梁结构的大挠度问题，本文则把它应用到单元内力增量的计算中。从实质上说，这里的拖动坐标系与上面提到的随转坐标系没有区别。因此，在理论方法上，目前文中的方法可以归类到CR－UL法。但由于本文重点不在于详细介绍这种方法的理论体系，所以论述中均不再使用该名词。本文的目的主要是通过简化复杂的几何非线性分析方法，推广该方法在实际工程中的应用。二、非线性商限元求解过程对于工程结构的非线性问题，用有限元方法求解时的非线性平衡方程可写成以下的一般形式：Fs(δ）-P0（δ）=0 （l）其中，为节点的位移向量；Fs(δ)为结构的等效节点抗力向量，它随节点位移及单元内力而变化；PO（δ）为外荷载作用的等效节点荷载向量，为方便起见，这里暂时假定它不随节点位移而变化。由于式（l）中的等效节点抗力一般无法用节点位移显式表示，故不可能直接对非线性平衡方程进行求解。但实际结构的整体切向刚度容易得到，所以通常应用Newton-Raphson迭代方法求解该问题。结构的整体切向刚度矩阵KT可表示如下dPO＝KTdδ （2）式中，KT＝ KE十KG，其中KE 为结构的整体弹性刚度矩阵，KG为几何刚度矩阵。用混合Newton－Raphson迭代方法求解结构非线性问题的基本过程如下：(1）将等效节点荷载PO分成n 步，ΔP0＝PO／n，计算并组集结构的整体切向刚度矩阵，进入加载步循环；(2)求解节点位移增量；(3)计算各单元内力增量，修正单元内力；(4)更新节点坐标，计算节点不平衡力R；(5)判断节点不平衡力R是否小于允许值，如满足条件，则进入下一个加载步；如不满足条件，重新计算结构的整体切向刚度矩阵，用R代替ΔP0，回到第2步；(6）全部加载步完成之后，结束。从上述求解过程中可见，最为关键的一步是第3步，即由节点位移增量计算单元的内力增量。也可以说是由这一步决定了最终的收敛结果，以下将对此着重论述。其实结构的整体切向刚度矩阵对结果并无实质性的影响，修正的NetwRaphson方法正是利用这一点来节省迭代计算的时间。以前的文献对空间梁单元几何刚度矩阵的推导方面论述较多，都建立在一些假定的基础上，这里就不详细说明。考虑到结构的整体切向刚度矩阵精确与否并不改变最终结果，仅影响迭代收敛的速度，并且不是越精确的整体切向刚度矩阵迭代收敛越快。三、小应变时单元内力增百计算在一般情况下，工程结构的几何非线性都属于小应变大位移（大平移、大转动）问题。对于这类问题，单元内力增量的计算比较简单。平面梁单元是空间梁单元发展的基础，故这里先分析平面梁单元的情况。平面梁
1简述国内外钢桥发展的现状及特点? 答：现在钢桥采用的主要技术有:（１)高强度低合金钢、预应力钢筋、高标号混凝土、 聚合物等新材料的应用; (2)桥梁上部结构采用正交异性刚桥面板和钢与混凝土的组合结构，箱型梁、高次超静定结构（多为连续梁、斜腿钢架、斜拉桥、各种组合体系等)； (３)结构设计方面可以针对不同情况，按需要进行非线性（材料非线性、集合非线性）分析、空间 分析、动力分析、可靠性分析; （４)施工工艺方面用钻孔桩机械（土层及岩层）、大直径桩、双臂钢围堰、自升式平台等修建深水基础，用焊接、高强度螺栓、预应力等方式进行连;用悬臂施工(混凝土灌注及各种预制件的拼装）及整体架设等方法减低造价并压缩工期.2?、简述钢桥设计计算的基本方法和主要计算内容??答：国内外钢桥设计主要采用 容许应力法和半概率极限状态设计法。（1)容许应力法,以弹性设计理论为基础，但该方法不能充分反映不同荷载的统计特性，较大程度的依赖经验,它将逐步被一概率统计和可靠度理论为基础的概率极限设计法所取代。(２)办概率极限设计法，根据不同荷载和材料与构 件的统计特性采用分项安全系数表示。 3、简述钢桥的主要材料的种类、表示方法和主要特点？ 答:钢桥的主要材料有结构钢、高强钢丝、高强螺栓、优质钢、锻钢、铸钢、焊条和焊丝等材料;表示方法是：(１)钢板,表示方法为”PL-宽*厚*长”，(2）型钢:（ａ)角钢，表示方法为L肢宽*肢厚*长度和L长肢宽*短肢宽*肢厚*长度，(b)工字钢，普通工字钢为Ｉ号数(界面高度ｃm和腹板厚度ａ、ｂ、c），轻型工字钢OI号数(界面高度cｍ和腹板厚度a、b、c），（c)普通槽钢,[号数(界面高度cm和腹板厚度ａ、ｂ、c),轻型槽钢，Q[号数(界面高 度cｍ和腹板厚度a、b、c） ４、简述焊接残余应力与残余变形的主要特点和对钢桥的影响? 答：钢材焊接时，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，使得钢材内部产生焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存与焊 件内的应力，为焊接残余应力。在焊接和冷却过程中由于焊件受热和冷却都不均匀除产 生内应力外，还产生变形，这种变形成为焊接残余变形。焊接残余变形影响结构的尺寸精 度和外观,导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心等,。使受力时产生附加的弯矩、扭矩和变形,从而减低其强度和稳定的承载力。5?、简述减少焊接残余应力和残余变形的方法? 答：(1)、设计措施（a)尽量减少焊缝的数量和尺寸（ｂ）避免焊缝过分集中或多方向焊缝相交与一点（c)焊缝尽可能堆成布置，连接过渡尽量平滑，避免应力突变和应力集中(d)搭接长度不小于最小值(e)合理选择施焊位置,(2）焊接工艺措施（a)采用适当的焊接顺序和方向(ｂ）先焊收缩量较大的焊缝,后焊收缩量小的焊缝，先焊错开的短焊缝，后焊直通的 长焊缝(ｃ)先焊使用时受力较大的焊缝，后焊受力较次要的焊缝（d）预变形（ｅ)预热、 后热(f)高温回火(g)用头部带小圆弧的小锤轻击焊缝，是焊缝得到延展,减低焊机残余应力。 6、简述钢桥桥面的结构形式和特点？ 答:结构形式为公路钢桥桥面和铁路钢桥桥面；按照承重结构的主要材料可分为钢桥面、混凝土桥面和木桥面－-－－该答案不甚准确，自己斟酌7?、简述桥面系梁格的组成和连 接形式？?答：组成由横梁和纵梁,形式(１）横梁直接支承于主梁上-上承式（2)横梁位于主梁中间（3)横梁设置于主梁下端-下承式（4）横梁有吊杆直接悬吊与主梁之下-下承式
学院：材料科学与工程学院专业：材料工程 姓名：飞学号：1125 作业： 找出几个所在专业研究领域的重要而且有研究价值的非线性问题及其模型，要求写出相应的模型方程及其所涉及的变量参数涵义，并列举出研究该模型的主要研究现状。（不少于3种） 举例1：材料力学领域的非线性问题 非线性本构和非线性本构复合材料 1.1 研究非线性本构模型的意义 从力学的角度来看，C/SiC复合材料属于准脆性的各向异性材料。以碳纤维、热解碳界面和SiC基体三种典型组分构成的C/SiC复合材料为例，相对于脆性的单质陶瓷，该材料具有较好的韧性。主要原因是在机械载荷作用下，材料内部存在如前所述的基体开裂、界面脱粘和滑移、纤维断裂和拔出等多种能量耗散机制。虽然这些细观损伤模式有别于金属的屈服机理，但是材料表现出类似的弹塑性-损伤力学行为。图1-1为C/SiC复合材料在沿轴向拉伸加卸载条件下的典型应力-应变曲线，从图中可看出：材料的线弹性极限较低，通常为20MPa左右；当应力水平超过弹性极限之后，材料的弹性模量（E0）开始减小，同时产生类似于不可回复的残余应变，卸载-重加载过程中应力-应变曲线形成迟滞环，且迟滞环的宽度随卸载点应力的增大而不断增大。该材料的剪切应力-应变关系也有类似的特征。由此易知，在对C/SiC复合材料的应力-应变关系进行分析描述时，传统的线弹性本构模型已经不再胜任；而如果仅在线弹性范围内使用该材料，则不能充分发挥出材料的力学性能，安全裕度过大，与航空航天器追求减重的目标不符。因此需要充分了解该材料的非线性力学行为，特别是其内部的损伤机理与特性，并为其建立合适的非线性本构模型。
图1-1 C/SiC复合材料的典型拉伸加/卸载应力-应变曲线 建立非线性本构模型的一个重要作用是辅助C/SiC复合材料的结构优化设计。如前所述，目前C/SiC复合材料已经开始逐步在航空航天器结构上使用，轻质、可重复使用等特性有助于提高飞行器的性能，并降低寿命周期内的使用和维护成本，但是这类材料仍然存在造价高的缺点。例如，德国DLR为X-38 V201飞行器提供的全C/SiC复合材料襟翼的尺寸约为1.4m×1.6m，重68公斤，造价高达2千万美元。这是由材料制备工艺的特点决定的。以较为成熟的等温CVI 工艺为例，该工艺具有能够制备出高纯度的基体、可用于一定厚度构件的近尺寸成型等诸多优点，但是为防止沉积的基体太快地封堵预制体孔隙通道，需要在相对缓慢的沉积速率下进行，因此材料的制备周期长，通常需要几周或数百小时的时间，而且化学反应过程中生成的HCl等副产物对设备有腐蚀作用，导致制备成本偏高，限制了材料的推广应用。因此，为C/SiC复合材料建立合适的本构模型，在结构设计阶段将本构模型与商业有限元软件结合，准确计算和结构在不同受载条件下的应力状态并预测其承载能力，有助于结构的优化设计，同时省去或减少大量的试件制备和测试过程，从而降低热结构的研发成本。国内已经对C/SiC 的损伤机理和本构模型开展了一些研究工作。潘文革等人对二维和三维编织C/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的损伤演化进行了试验研究，通过分析声发射事件数和相对能量等参数，发现两种材料的拉伸损伤过程大致分为初始损伤阶段、过渡阶段、损伤加速和快速断裂阶段；杨成鹏等人对二维编织C/SiC复合材料单轴拉伸非线性力学行为进行了试验研究，通过循环加卸载试验方法，获得了材料的残余应变和卸载模量随拉伸应力的变化关系，并建立了基于剪滞理论的细观损伤力学模型；陶永强等人将二维编织结构简化成正交铺层和纤维束波动部分的组合，采用了Curtin和Ahn提出的基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论以及体积平均方法，预测了二维编织C/SiC复合材料的应力-应变关系。此
1简述国内外钢桥发展的现状及特点？ 答：现在钢桥采用的主要技术有：（1）高强度低合金钢、预应力钢筋、高标号混凝土、聚合物等新材料的应用; (2)桥梁上部结构采用正交异性刚桥面板和钢与混凝土的组合结构，箱型梁、高次超静定结构（多为连续梁、斜腿钢架、斜拉桥、各种组合体系等）；（3） 结构设计方面可以针对不同情况，按需要进行非线性（材料非线性、集合非线性）分析、 空间分析、动力分析、可靠性分析；（4）施工工艺方面用钻孔桩机械（土层及岩层）、 大直径桩、双臂钢围堰、自升式平台等修建深水基础，用焊接、高强度螺栓、预应力等方 式进行连；用悬臂施工（混凝土灌注及各种预制件的拼装）及整体架设等方法减低造价并 压缩工期. 2、简述钢桥设计计算的基本方法和主要计算内容？ 答：国内外钢桥设计主要采用容许应力法和半概率极限状态设计法。（1）容许应力法，以弹性设计理论为基础，但该方法不能充分反映不同荷载的统计特性，较大程度的依赖经验，它将逐步被一概率统计和可靠度理论为基础的概率极限设计法所取代。（2）办概率极限设计法，根据不同荷载和材料与构件的统计特性采用分项安全系数表示。 3、简述钢桥的主要材料的种类、表示方法和主要特点？ 答：钢桥的主要材料有结构钢、高强钢丝、高强螺栓、优质钢、锻钢、铸钢、焊条和焊 丝等材料；表示方法是：（1）钢板，表示方法为”PL-宽*厚*长”，（2）型钢:(a)角钢，表 示方法为L肢宽*肢厚*长度和L长肢宽*短肢宽*肢厚*长度，（b)工字钢，普通工字钢为I 号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c），轻型工字钢OI号数（界面高度cm和腹板厚 度a、b、c），（c)普通槽钢,[号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c），轻型槽钢,Q[号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c） 4、简述焊接残余应力与残余变形的主要特点和对钢桥的影响？ 答：钢材焊接时，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，使得钢材内部产生焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存与焊 件内的应力，为焊接残余应力。在焊接和冷却过程中由于焊件受热和冷却都不均匀除产 生内应力外，还产生变形，这种变形成为焊接残余变形。焊接残余变形影响结构的尺寸精 度和外观，导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心等，。使受力时产生附加的弯矩、扭矩和 变形，从而减低其强度和稳定的承载力。 5、简述减少焊接残余应力和残余变形的方法？ 答：（1）、设计措施（a)尽量减少焊缝的数量和尺寸（b）避免焊缝过分集中或多方向 焊缝相交与一点（c）焊缝尽可能堆成布置，连接过渡尽量平滑，避免应力突变和应力集中（d）搭接长度不小于最小值（e）合理选择施焊位置，（2）焊接工艺措施（a)采用适当的焊接顺序和方向（b）先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝（c)先焊使用时受力较大的焊缝，后焊受力较次要的焊缝（d)预变形（e)预热、后热（f)高温回火（g)用头部带小圆弧的小锤轻击焊缝，是焊缝得到延展，减低焊 机残余应力。 6、简述钢桥桥面的结构形式和特点？ 答：结构形式为公路钢桥桥面和铁路钢桥桥面；按照承重结构的主要材料可分为钢桥面、
!ANSYS命令流学习笔记10-利用APDL在WorkBench中进行非线性屈曲分析 !学习重点： !1、强化非线性屈曲知识 首先了解屈曲问题。在理想化情况下,当F < Fcr时, 结构处于稳定平衡状态，若引入一个小的侧向扰动力，然后卸载, 结构将返回到它的初始位置。当F > Fcr时, 结构处于不稳定平衡状态, 任何扰动力将引起坍塌。当F = Fcr时,结构处于中性平衡状态，把这个力定义为临界载荷。在实际结构中, 几何缺陷的存在或力的扰动将决定载荷路径的方向。在实际结构中, 很难达到临界载荷，因为扰动和非线性行为, 低于临界载荷时结构通常变得不稳定。 要理解非线性屈曲分析，首先要了解特征值屈曲。特征值屈曲分析预测一个理想线弹性结构的理论屈曲强度，缺陷和非线性行为阻止大多数实际结构达到理想的弹性屈曲强度，特征值屈曲一般产生非保守解, 使用时应谨慎。 !理论解，根据Euler公式。其中μ取决于固定方式。 !有限元方法， 已知在特征值屈曲问题： 求解，即可得到临界载荷 而非线性屈曲问题： 其中为结构初始刚度，为有缺陷的结构刚度，为位移矩阵，为载荷矩阵。 非线性屈曲分析时考虑结构平衡受扰动（初始缺陷、载荷扰动）的非线性静力分析，该分析时一直加载到结构极限承载状态的全过程分析，分析中可以综合考虑材料塑性、几何非线性、接触、大变形。非线性屈曲比特征值屈曲更精确，因此推荐用于设计或结构的评价。 !2、熟悉WB中非线性屈曲分析流程 (1) 前处理，施加单元载荷，进行预应力静力分析。 (2) 基于预应力静力分析，指定分析类型为特征值屈曲分析，完成特征值屈曲分析。 (3) 在APDL模块将一阶特征屈曲模态位移乘以适当系数，将此变形后的形状当做非线性分析的初始模型。
结构非线性分析理论 1.结构设计方法 结构设计方法从传统的容许应力设计法发展到了基于概率统计的极限状态 设计法。传统的容许应力设计法是基于线弹性理论，依照经验选取一定的安全系 数，以构件危险截面某一点的计算应力不超过材料的容许应力为准则，目前在某 些领域仍在使用。安全系数，是一个单一的根据经验确定的数值，没有考虑不同 结构之间的差异，不能保证不同结构具有同等的安全水平。此外，容许应力设计 法以弹性理论计算内力，对那些发展塑性变形能提高承载力的构件或结构(如受 弯构件)，比那些发展塑性变形不能提高承载力的构件或结构(如轴心受力构件) 具有较大的安全储备。 概率极限状态设计法是采用数理统计方法按照一定概率确定荷载或材料的 代表值，并给出结构的功能函数，用结构失效概率或可靠指标度量结构的可靠性。 《建筑结构可靠度设计统一标准》将极限状态分为两类：(1)承载能力极限状态， 是指结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形；(2)正常使用 极限状态，是指结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。结构 按极限状态设计应符合下列要求： ()0,21≥n X X X g （1.1） 式((1.1)中g(X i )为结构功能函数，X i (i =1， 2……n)为基本变量，是指影响该 结构功能的各种作用、材料性能、几何参数等。 目前我国结构设计规范基本都是采用以概率理论为基础的极限状态设计方 法，用分项系数设计表达式进行计算。美国的钢结构设计采用了两种设计方法： ASD(Allowable Stress Design)和LRFD(Load and Resistance Factor Design)，即容许 应力设计法和分项系数设计法，McCormac 指出LRFD 相比ASD ，并不一定节省材 料，虽然在很多情况下可以取得这样的效果，而在不同荷载作用下能给结构提供 等同的可靠性，对于活载和恒载，ASD 采用的安全系数是一样的，而LRFD 对恒 载则采用了一个较小的荷载系数(恒载比活载能更准确的确定)，也就是说如果恒 载大于活载，LRFD 比ASD 节省材料。
1、 我国钢桥设计和建设中寻在和继续解决的问题 答：1、钢桥的安全度评价与基于可靠度理论的概率极限状态设计方法 2、钢桥的新钢材品种及螺栓、焊材等的研究与开发 4、正交异性钢桥面板的合理构造、最小刚度和疲劳强度等 6、大跨径钢梁桥的高腹板的合理加劲肋构造、局部稳定屈曲和设计强度 7、钢箱梁桥的扭转、畸变与横隔板的合理间距和刚度 8、公路钢桥的合理刚度与车桥共振的动力系数研究 9、战备用中小跨径钢箱梁、钢板梁和钢桁架桥的标准化设计 11、典型公路钢桥的集成化制造技术与制造精度规范化 13、钢桥防腐涂装与长效防腐的实验研究与应用 14、钢桥的检测技术、质量控制及验收 2 、公路钢桥技术的发展趋势：1大跨度钢桥将向更长、更大、更柔的方向发展；2、轻质高性能、耐久新型钢材品种的研制开发与应用；3、大型工厂化高精度制造钢桥节段和大型施工设备的整体化安装将成为钢桥施工方法的主流；4、公路钢桥设计和营建能力达到国际发展水平。 3、钢桥根据主要承重结构的受力体系分为：梁式桥girder bridge 、拱桥arch bridge 、 刚构桥frame bridge 、斜拉桥cable-stayed bridge 、悬索桥suspensions bridge 和混合体系桥梁hybrid structure bridge 4、钢桥的结构与受力特点：（1）薄壁结构、2稳定stabilitity 3、刚度stiffness 4、疲劳fatigue 5、连接connection 5、钢桥主要设计方法：（1）容许应力法 （2）半概率极限状态设计法 （1）容许应力法 []σγσ≤ σ— 结构标准荷载的计算应力 []σ —设计规范规定的容许应力，对于钢桥结构约为/1.7y f y f —钢材屈服强度 1.7—综合安全系数 γ —不同荷载组合额容许应力提高系数 （2）半概率极限状态设计法（P29） 6、钢桥中部件连接方法：铆钉rivet 连接、螺栓bolt 连接、焊接welding 三类 7、焊缝连接中按焊体钢材的连接方式分为对接接头、搭接接头、T 形接头、角接接头等 8、焊缝连接按焊缝施焊时的姿态分为平焊flat 、横焊horizontal 、立焊vertical 和仰焊overhead 9、焊缝连接的缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或邻近热影响区钢材表面或内部的缺陷。 常见缺陷有裂纹、旱瘤、烧穿、弧坑、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透（不包括要求焊透者）以及焊缝外形尺寸不符合要求、焊缝成形不良等（图P54） 10、焊缝连接层状撕裂防止措施：1、采用较小的焊缝破口角度及间隙，并满足焊透深度要求。2、在角焊缝中，采用对称破口或偏于侧板的坡口。3、采用对称破口。4、在T 形或角接接头中，板厚方向承受焊接拉应力的板材伸出焊缝区。5、在T 形、十字形及角接接头中，采用过渡段，以取代T 形、十字形接头。
关于非线性分析的几点忠告 了解程序的运作方式和结构的表现行为 如果你以前没有使用过某一种特别的非线性特性，在将它用于大的，复杂的模型前，构造一个非常简单的 模型（也就是，仅包含少量单元），以及确保你理解了如何处理这种特性。 通过首先分析一个简化模型，以便使你对结构的特性有一个初步了解。对于非线性静态模型，一个初步的 线性静态分析可以使你知道模型的哪一个区域将首先经历非线性响应，以及在什么载荷范围这些非线性将 开始起作用。对于非线性瞬态分析，一个对梁，质量块及弹簧的初步模拟可以使你用最小的代价对结构的 动态有一个深入了解。在你着手最终的非线性瞬时动态分析前，初步非线性静态，线性瞬时动态，和/或模 态分析同样地可以有助于你理解你结构的非线性动态响应的不同的方面。 阅读和理解程序的输出信息和警告。至少，在你尝试后处理你的结果前，确保你的问题收敛。对于与路程 相关的问题，打印输出的平衡迭代记录在帮助你确定你的结果是有效还是无效方面是特别重的。 简化 尽可能简化最终模型。如果可以将3─D结构表示为2─D平面应力，平面应变或轴对称模型，那么这样做， 如果可以通过对称或反对称表面的使用缩减你的模型尺寸，那么这样做。（然而，如果你的模型非对称加 载，通常你不可以利用反对称来缩减非线性模型的大小。由于大位移，反对称变成不可用的。）如果你可 以忽略某个非线性细节而不影响你模型的关键区域的结果，那么这样做。 只要有可能就依照静态等效载荷模拟瞬时动态加载。 考虑对模型的线性部分建立子结构以降低中间载荷或时间增量及平衡迭代所需要的计算时间。 采用足够的网格密度 考虑到经受塑性变形的区域要求一个合理的积分点密度。每个低阶单元将提供和高阶单元所能提供的一样
日常设计实践中的非线性分析
术语“刚度”定义了线性分析与非线性分析间的根本区别。刚度是零件或装配体的特性，用于表征其对所施加载荷的反应。影响刚度的三个主要因素为：形状、材料和零件的支撑方式。 COSMOS ? 了解非线性分析第 1页 近十年以来，人们已不再将有限元分析(FEA) 视为仅供分析师使用的工具，它已进入到实际的设计工作中。如今，CAD 软件中都内置了FEA 功能，设计工程师可使用FEA 作为日常设计工具，协助完成产品设计过程。 但是，直到最近，设计工程师所采用的大多数FEA 应用程序还仅仅局限于线性分析。对于设计工程师所遇到的大多数问题，此类线性分析所得到的结果均与其实际特征大体接近。但是，有时也会出现需要采用非线性方法解决的更具挑战性的问题。 过去，工程师们不愿意使用非线性分析，因为使用这种方法对问题进行公式表示非常复杂并且需要很长的求解时间。现在，随着非线性FEA 软件与CAD 结合，情况有所改观，软件的使用也更加简便。此外，改进的求解算法辅之以强大的台式计算机性能，使求解时间大大缩短。十年前，工程师将FEA 视为极具价值的设计工具。现在，他们开始认识到非线性FEA 的优点并更深刻地理解了它对设计过程所产生的影响。 线性分析与非线性分析的区别 术语“刚度”定义了线性分析与非线性分析间的根本区别。刚度是零件或装配体的特性，用于表征其对所施加载荷的反应。影响刚度的因素有很多：1. 形状：I 型横梁与槽形横梁具有不同的刚度。 2. 材料：与相同尺寸的钢制横梁相比，铁制横梁的刚度较低。 简介
图1 悬臂横梁（上图）比具有两端支撑的相同横梁 （下图）的刚度要低。
目录 非线性结构分析的定义 (1) 非线性行为的原因 (1) 非线性分析的重要信息 (3) 非线性分析中使用的命令 (8) 非线性分析步骤综述 (8) 第一步：建模 (9) 第二步：加载且得到解 (9) 第三步：考察结果 (16) 非线性分析例题（GUI方法） (20) 第一步：设置分析标题 (21) 第二步：定义单元类型 (21) 第三步：定义材料性质 (22) 第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22) 第五步：产生矩形 (22) 1
第六步：设置单元尺寸 (23) 第七步：划分网格 (23) 第八步：定义分析类型和选项 (23) 第九步：定义初始速度 (24) 第十步：施加约束 (24) 第十一步：设置载荷步选项 (24) 第十二步：求解 (25) 第十三步：确定柱体的应变 (25) 第十四步：画等值线 (26) 第十五步：用Post26定义变量 (26) 第十六步：计算随时间变化的速度 (26) 非线性分析例题（命令流方法） (27) 非线性结构分析 非线性结构的定义 在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如，无论何时用钉书针钉书，金 2
属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。（看图1─1（a））如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。（看图1─1（b））。当在 汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。（看图1─1（c））如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征--变化的结构刚性. 图1─1 非线性结构行为的普通例子 3
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型： 状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。 接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。 几何非线性 如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个例的垂向刚性）。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。 4
也就是线性分析在结构方面就是指应力应变曲线刚开始的弹性部分，没有达到应力屈服点的结构分析非线性分析包括状态非线性，几何非线性，以及材料非线性，状态非线性比如就是钓鱼竿，几何比如就是物体的大变形，材料比如就是塑性材料属性。 2．非线性行为的原因
种类型。3引起结构非线性的原因很多，主要可分为以下）状态变化（包括接触）1（许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。例如，一根只能拉伸的电缆可能是松弛的，也可能是绷紧的；轴承套可能是接触的，也可能是不接触的；冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变而突然变化。状态改变或许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能是由某种外部原因引起的（如在冻土中的紊乱热力学条件）。接触是一种很普遍的非线 性行为，接触是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集。）几何非线性2（结构如果经 受大变形，其变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应。如图5.2所示的钓鱼杆，在轻微的载荷作用下，会产生很大的变形。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲导致动力臂明显减少，致使杆在较高载荷下刚度不断增加。 ）材料非线性3（． 非线性的应力-应变关系是结构非线性的常见原因。许多因素可以影响材料的应力-应变性质，包括加载历史（如在弹-塑性响应状况下）、环境状况（如温度）、加载的时间总量（如在蠕变响 应状况下）等。 3．非线性结构分析中应注意的问题 拉普森方法-1）牛顿（ANSYS程序的方程求解器可以通过计算一系列的联立线性方程来预测工 程系统的响应。然而，非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程来表示，需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。一种近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷增量之前，程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免所示。地随着每一个载荷增量积累误差，最终导种结果失去平衡，如图5.3aANSYS程序通过使用牛顿-拉普森平衡迭代克服了这种困难，在某个容限范围内，它使每一个载荷增量的末端解都达到平衡收敛。图5.3b描述了在单自由度非线性分析中牛顿-拉普森平衡迭代的使用。在每次求解前，NR方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应 力的载荷）和所加载荷的差值。之后，程序使用非平衡载荷进行线性求解，并且核查收敛性。如果不满足收敛准则，则重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解，持续这种迭代过程 直到问题收敛。
浅谈斜拉桥的几何非线性 摘要:本文针对斜拉桥的几何非线性进行分析。 关键词:极限状态；斜拉桥; 垂度效应；几何非线性 相对公路斜拉桥而言, 公铁两用斜拉桥的铁路列车活载大、运行速度高, 对结构稳定性、安全性要求较高. 目前, 世界上已建成的主跨400 m 以上的公铁两用斜拉桥仅4 座. 其中, 我国在建的武汉天兴洲长江大桥是最大主跨为504 m 的公铁斜拉桥. 目前, 对这种跨度大、荷载大, 具有一系列特殊的力学特性的斜拉桥的研究有限. 进行大跨度公铁斜拉桥非线性影响研究, 对于此种桥型的设计、施工及结构安全研究都具有十分重要的意义. 桥梁结构非线性分为材料非线性和几何非线性. 对正常使用阶段的斜拉桥, 一般不允许出现塑性变形, 结构处于几何非线性工作状态. 本文以几何非线性影响研究为主, 考虑材料屈服强度和极限强度, 分析结构在极限状态下的静力响应. 计算方法 1. 1分析模型 对大跨度斜拉桥来说, 几何非线性效应非常显著[ 1-2] , 在设计分析中必须考虑. 斜拉桥结构几何非线性主要来自于索的垂度影响、梁柱效应及大位移效应 3 个方面. 为了考察结构几何非线性效应对斜拉桥极限状态时受力的分析, 采用如下4 种分析模型。 ( 1) 模型1 为线性分析，其计算结果将与各非线性分析结果进行比较, 确定各非线性因素对分析结果的影响系数. ( 2) 模型2 为仅考虑拉索垂度效应的非线性分析. ( 3) 模型3 为仅计入梁柱效应和大位移效应的非线性分析. ( 4) 模型4 为考虑所有几何非线性效应. 计算分析的前提是线性计算和非线性计算采用的成桥索力是一致的. 1. 2成桥索力计算方法 在斜拉桥受力分析中, 首先必须确定斜拉索的成桥索力. 目前, 国内外斜拉桥成桥索力的计算方法,大致有受力状态的索力优化法、无约束优化索力法、有约束优化索力法及多约束条件优化方法[ 3-4] . 本文提出一种索力分步迭代的方法，首先, 按最小能量法计算斜拉索拉力及相应应变, 将此应变作为初始应变施加到斜拉索上, 重新求解结构在自重作
1.冷弯性能是指钢材在常温下加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。 2.韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也即钢材抵抗冲击荷载的能力。 3.可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格焊缝的性能。 4.在连续反复荷载的作用下，即使应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度，钢材也会发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳。 5.冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工过程使钢材产生很大塑性变形时，提高了钢材的屈服强度，但却降低了塑性、韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。 6.在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从铁中析出，形成氮化物和碳化物微粒，散布在晶粒的滑动面上，阻碍滑移，遏制纯铁体的塑性变形发展，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化，又称老化。 7.应变时效是应变硬化和时效硬化的复合作用。 8.当温度降至某一数值时,钢材的冲击韧性突然降低，试件断口呈现脆性破坏特征，这种现象称作低温冷脆现象。 9.在钢结构中，经常不可避免地有孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度或形状变化等，这时构件截面上的应力不再保持均匀分布，而在某些点上产生局部高峰应力，在另外一些点上则应力达不到净截面的平均应力，形成应力集中现象。1.电焊弧：指利用焊条或焊丝与焊件间产生的电弧热将金属加热并融化的焊接方式。2.拼接：在对接接头中如果左右被连接钢材的截面完全相同，通常称为拼接。3.端焊缝：应力方向垂直于焊缝轴线时的焊缝。4.侧焊缝：应力方向平行于焊缝轴线时的焊缝。5.焊接应力：温度应力在焊接过程中随时间和温度不断变化。6.焊接残余应力：焊接应力较高 7.高温回火：加热到600-650保持一段时间恒温后缓慢冷却。8.孔前传力：每个螺栓所传内力的一般是在该螺栓孔中心线以前的。9.全承载力设计法：接头的设计承载力能够满足杆件实际承受的荷载大小的要求即可的一种设计方法。10.最小承载力设计法：接头的设计承载力能够满足杆件实际承受的荷载大小的要 11.综合承载力设计法：既不使得接头承载力降低过多，又不过分追求接头承载力的一种设计方法。12.结合桥面：指桥面板同时参与桥面系梁格或者主梁共同工作的桥面。13.桥面系粱格：横梁和纵梁在平面上通常布置成粱格的形式。14.纵肋：平行于桥轴方向的纵向加劲肋称为纵肋。15.横肋：垂直于桥轴方向的横向加劲肋称为横肋。16.横隔板：对于箱型截面钢梁，箱内往往用带肋版件将箱梁封闭，这种结构称。17.正交异性桥面板：指纵横方向的受力特性为各向异性 18.主梁体系：有顶板和纵肋主城的结构系看成是主梁的一个组成部分参与主梁共同受力。 19.桥面体系：有纵肋，横肋和顶板组成的结构系把桥面上的荷载传递到主梁和刚度较大的横梁。20.盖板体系：设置在肋上的顶板看成是各向同性的连续板直接承受作用于肋间的伦荷载，同时把轮荷载 21.顶板设计有效计算宽度：通常假设顶板或翼缘版应力按最大应力均匀分布，并按力 22.钢板梁桥：指由钢板或型钢等通过焊接，螺栓或柳钉等连接而成的工字型或箱型截面的实腹式钢梁作为主要承重结构的桥梁。23.格子梁桥：主要受力结构的主梁和横梁在
悬索桥的几何非线性分析 发布时间:2009-02-03 乔婷婷，罗晓英山西省公路局长治分局勘测设计所 摘要：大跨度悬索桥结构具有显著的几何非线性行为，且在悬索桥结构计算中必须考虑其非线性。因此，系统介绍了悬索桥的几何非线性影响因素，分析的基本原理及计算方法。 关键词：悬索桥；几何非线性；结构；分析 在有限元线性分析中假设：节点位移为无限小量。当这条假设不能满足时即为几何非线性。所谓几何非线性是指结构经历了大位移和大转动而其应力应变关系仍然是弹性的。 索结构是以一系列受拉的索作为主要承重构件的结构形式, 通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用, 可以充分发挥钢材的强度, 从而大大减轻结构的自重。因而索结构可以较为经济地跨越较大的跨度,成为大跨径桥梁的主要结构形式之一。 1 悬索桥的几何非线性影响因素 悬索桥的承重结构主要为主缆、塔桥及锚碇构成的大缆系统，其次为加劲梁，吊索用来连接主缆和加劲梁，主缆为几何可变体系，主要靠其自重及恒载产生的初始拉力及改变几何形状来获得结构刚度，以抵抗荷载产生的变形，缆索受力呈明显的几何非线性性质，对于大跨悬索桥，通用的计算方法是以有限位移理论为基础的几何非线性有限元法[1]。 从有限位移理论的角度来分析，引起悬索桥结构几何非线性的因素[2]主要有3个： 第一,缆索在初始恒载作用下具有较大的初张力，使索桥维持一定的几何形状。当作用外荷载时，索梁发生变形，初张力对后续状态的变形存在抗力，这种来自恒载自重的刚度称为重力刚度。 第二,由于悬索桥主梁和缆索相对纤细，引起整个结构在外荷载作用下产生较大变形。在进行结构分析时，力的平衡方程应根据变形后结构的实际几何位置来建立，力与位移的关系是非线性的。 第三，缆索在自重作用下具有一定垂度，垂度大小与张力成反比。若用两力杆模拟缆索单元时，应计入垂度的非线性影响。 在结构分析时, 任何微小的应变都可能会引起索单元较大的内力和位移，大变形的发生改变了单元的形状, 最终导致了单元刚度的改变，但这种特性是有利于结构受力的，因为发生的几何大变位可使结构自动调整内力分布, 从而改善结构的受力状态。提高结构的承载能力。同时, 结构的面外刚度可能受到结构中面内应力状态的严重影响。
1、简述国内外钢桥发展的现状及特点？ 答：现在钢桥采用的主要技术有：（1）高强度低合金钢、预应力钢筋、高标号混凝土、聚合物等新材料的应用; (2)桥梁上部结构采用正交异性刚桥面板和钢与混凝土的组合结构，箱型梁、高次超静定结构（多为连续梁、斜腿钢架、斜拉桥、各种组合体系等）；（3）结构设计方面可以针对不同情况，按需要进行非线性（材料非线性、集合非线性）分析、空间分析、动力分析、可靠性分析；（4）施工工艺方面用钻孔桩机械（土层及岩层）、大直径桩、双臂钢围堰、自升式平台等修建深水基础，用焊接、高强度螺栓、预应力等方式进行连；用悬臂施工（混凝土灌注及各种预制件的拼装）及整体架设等方法减低造价并压缩工期. 2、简述钢桥设计计算的基本方法和主要计算内容？ 答：国内外钢桥设计主要采用容许应力法和半概率极限状态设计法。（1）容许应力法，以弹性设计理论为基础，但该方法不能充分反映不同荷载的统计特性，较大程度的依赖经验，它将逐步被一概率统计和可靠度理论为基础的概率极限设计法所取代。（2）办概率极限设计法，根据不同荷载和材料与构件的统计特性采用分项安全系数表示。 3、简述钢桥的主要材料的种类、表示方法和主要特点？ 答：钢桥的主要材料有结构钢、高强钢丝、高强螺栓、优质钢、锻钢、铸钢、焊条和焊丝等材料；表示方法是：（1）钢板，表示方法为”PL-宽*厚*长”，（2）型钢:(a)角钢，表示方法为L肢宽*肢厚*长度和L长肢宽*短肢宽*肢厚*长度，（b)工字钢，普通工字钢为I号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c），轻型工字钢OI号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c），（c)普通槽钢,[号数（界面高度cm和腹板厚度a、b、c），轻型槽钢,Q[号数（界面高度cm 和腹板厚度a、b、c） 4、简述焊接残余应力与残余变形的主要特点和对钢桥的影响？ 答：钢材焊接时，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，使得钢材内部产生焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存与焊件内的应力，为焊接残余应力。在焊接和冷却过程中由于焊件受热和冷却都不均匀除产生内应力外，还产生变形，这种变形成为焊接残余变形。焊接残余变形影响结构的尺寸精度和外观，导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心等，。使受力时产生附加的弯矩、扭矩和变形，从而减低其强度和稳定的承载力。 5、简述减少焊接残余应力和残余变形的方法？ 答：（1）、设计措施（a)尽量减少焊缝的数量和尺寸（b）避免焊缝过分集中或多方向焊缝相交与一点（c）焊缝尽可能堆成布置，连接过渡尽量平滑，避免应力突变和应力集中（d）搭接长度不小于最小值（e）合理选择施焊位置，（2）焊接工艺措施（a)采用适当的焊接顺序和方向（b）先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝（c)先焊使用时受力较大的焊缝，后焊受力较次要的焊缝（d)预变形（e)预热、后热（f)高温回火（g)用头部带小圆弧的小锤轻击焊缝，是焊缝得到延展，减低焊机残余应力。 6、简述钢桥桥面的结构形式和特点？ 答：结构形式为公路钢桥桥面和铁路钢桥桥面；按照承重结构的主要材料可分为钢桥面、混凝土桥面和木桥面----该答案不甚准确，自己斟酌 7、简述桥面系梁格的组成和连接形式？ 答：组成由横梁和纵梁，形式（1）横梁直接支承于主梁上-上承式（2）横梁位于主梁中间（3）横梁设置于主梁下端-下承式（4）横梁有吊杆直接悬吊与主梁之下-下承式拱桥（5）由立柱吧横梁支承于主梁之上。 8、钢桥面板设计计算和构造细节处理中应该特别注意哪些问题？ 答：（1）冲击荷载的影响（2）桥面板温差的影响（3）钢桥面板的疲劳（4）钢桥面板的刚