ABAQUS 鋼管受壓屈曲分析 初始缺陷的案例
考慮初始缺陷的圓管截面非線性屈曲分析
一、問題描述
在鋼結構中，受壓桿件一般在其達到極限承載力前就會喪失穩定性，所以失穩是鋼結構最為突出的問題。壓桿整體失穩形式可以是彎曲、扭轉和彎扭。鋼構件在軸心壓力作用下，彎曲失穩是常見的失穩形式。而影響軸心受壓構件整體穩定性的主要因素為縱向殘余應力、初始彎曲、荷載初偏心及端部約束條件等。實際的軸心受壓構件往往會存在上述的一種或多種缺陷，導致構件的穩定承載力降低。
本文主要針對任意軸對稱的圓形鋼管截面，利用ABAQUS有限元非線性分析軟件，對其在軸心受壓情況下進行特征值屈曲分析和靜態及動態的非線性屈曲分析（考慮材料彈塑性和初始缺陷的影響）。通過考慮材料非線性、幾何非線性并引入初彎曲，得出構件發生彎曲失穩的極限荷載,并且由彎曲失穩的臨界荷載得出的構件荷載位移曲線。同時再進行非線性分析時，需要施加初始擾動，以幫助非線性分析時失穩，可以通過特征值屈曲分析得到的初始彎曲模態來定義初始缺陷；最后由可以將特征值屈曲分析得到的臨界荷載作為非線性屈曲分析時所施加荷載的參考。
二、結構模型
用ABAQUS中的殼單元建立軸心受壓模型，采用SI國際單位制（m）。
1.構件的材料特性： E=2.0E11N/m2，μ=0.3， fy=2.35E8N/m2 ，ρ=7800kg/m3 ，鋼管半徑：60mm，厚度：3mm，長度：2.5m。
2.鋼管的截面尺寸及鋼管受到的約束和荷載施加的模型圖如圖2-1及圖2-2所示。
展開 截面帶殘余應力和初始幾何缺陷的工字梁非線性屈曲分析
材料非線性行為：雙線性隨動強化BKIN，屈服強度460MPa
幾何非線性：長工字梁
其他:
1.采用梁單元beam188建模
2.各個梁截面初始含有初始殘余應力
加載示意圖：
梁單元初始殘余應力云圖：
梁單元等效應力云圖：
由此可見，結構發生屈服并不是因為達到材料的屈服極限，而是發生受壓失穩。
載荷和轉角曲線：
這類問題很多時候是采用的是殼單元建模分析，本文提供了一種新的思路，對于復雜模型，由于節點數目相比于殼單元要少很多，因此可以極大的提高求解的效率。
另外在提供一個新的思路，根據本模型的特點，其實也可以采用2D-3D擴展的方法。不過，這樣要花費比較大的計算資源。
過程如下：
1.首先采用平面應變單元，建立梁截面模型，然后采用施加截面的初始殘余應變。
2.將模型擴展到3D。輸出3d狀態下的初始殘余應力。
3.將上述模型拷貝兩份。其中一份用于得到殘余應力分布。另一份用于正常的特征值屈曲分析。
4.獲取特征值屈曲分析的變形作為初始幾何缺陷。
5.加入前面得到的初始殘余應力場載荷，進行非線性求解分析。
采用實體單元分析時，需要注意載荷的轉換。另外注意不要把初始應力場加到特征值分析時。
展開 高版本WB中施加初始幾何缺陷進行非線性屈曲分析的方法 ￥2
對于大型的薄壁壓力容器，屈曲失穩是一種重要的失效模式，容器一旦發生失穩，其后果勢必是嚴重的，所以在壓力容器的設計過程中，對于存在失穩可能性的容器，除需進行強度計算和校核外，還需進行穩定性的計算和校核，在GB150和JB4732標準中均有關于外壓圓筒、封頭及錐殼的外壓強度校核和穩定性校核的計算和評定方法（圖算法），這是一種很成熟且廣泛應用的方法，通過常規設計軟件就直接進行計算和校核。但對于很多特殊結構來說，標準中并沒有相關的穩定性的計算和校核方法，也無法通過常規的方法計算。而ANSYS作為一種不受結構限制的大型CAE軟件提供了進行失穩分析的有限元計算方法，通過ANSYS可進行線性屈曲分析（又稱特征值屈曲分析）和非線性屈曲分析兩種方法得到相應的臨界失穩載荷。其中線性屈曲分析不考慮任何非線性和初始擾動，所以對結構臨界失穩載荷的計算值往往要高于結構的實際臨界載荷，有的甚至超過實際實驗測試值的幾十倍，線性分析唯一的優勢是其分析速度較快，但在實際中其預測值參考價值不大，僅給定結構屈曲失效的上限值。而在非線性屈曲分析中，對稱結構和對稱載荷需要施加一個干擾力或者一個初始幾何缺陷，使得屈曲處的不連續響應變成連續響應，從而保證在非線性分析時得到屈曲解。由于實際工程結構中存在的缺陷往往很難精確的定位和測量，所以通常的方法是將特征值屈曲分析得到的屈曲模態的變形乘以一個系數并施加在有限元模型上作為初始幾何缺陷，使結構不再對稱，以便求得非線性屈曲分析的解。本文介紹的即是在WB中進行非線性屈曲分析引入初始幾何缺陷的方法。
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