考慮缺陷的案例
考慮初始缺陷的圓管截面非線性屈曲分析
實際的軸心受壓構(gòu)件往往會存在上述的一種或多種缺陷，導(dǎo)致構(gòu)件的穩(wěn)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(tài)及動態(tài)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(gòu)件發(fā)生彎曲失穩(wěn)的極限荷載,并且由彎曲失穩(wěn)的臨界荷載得出的構(gòu)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(wěn)，可以通過特征值屈曲分析得到的初始彎曲模態(tài)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(jié)構(gòu)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(gòu)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 【經(jīng)典案例欣賞14】考慮初始缺陷鋼板剪力墻滯回模擬
項目難點：
1、快速建模；
2、初始缺陷施加；
3、滯回模擬通法設(shè)置。
若有興趣，可加我QQ2170453510。
【經(jīng)典案例欣賞31】考慮缺陷灌漿套筒鋼筋混凝土柱滯回模擬
項目難點：
1、灌漿套筒預(yù)制裝配通法建模；
2、灌漿套筒缺陷設(shè)置；
3、復(fù)雜模型標準化建模。
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大跨空間結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析指南
03
RFEM6 進行整體穩(wěn)定分析的優(yōu)勢
1）輕松實現(xiàn)所有組合的穩(wěn)定分析，不留隱患
RFEM 6中的荷載組合都是由設(shè)計狀況生成的，因此只要通過“組合助手”中的設(shè)置，就可以批量的讓生成的荷載組合進行穩(wěn)定計算、考慮缺陷、結(jié)構(gòu)調(diào)整（剛度修正，各種非線性考慮與否）等操作。
2）缺陷通過后臺計算考慮，不破壞原始幾何模型
缺陷的定義類似工況，并不是修改幾何模型，而做一項設(shè)置，“組合助手”里勾選了該缺陷設(shè)置，計算的時候就會采用偏移后的有限元模型，沒有勾選，就采用原始有限元模型。因此一個模型中可以同時計算有缺陷、無缺陷的狀況。
3）桿件彈塑性按照材料的應(yīng)力-應(yīng)變模型考慮
可以按照雙線性，也可以按照試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入。
4）所有情況（線性/非線性，有/無缺陷）的分析，一個模型文件足矣，模型維護成本低，設(shè)計效率高。
展開 
【JY】YJK前處理參數(shù)詳解及常見問題分析：二階效應(yīng)和分析求解（四）
【計算信息參數(shù)詳解】
三、二階效應(yīng)
A區(qū)參數(shù)詳解
1、考慮P-Δ效應(yīng)
這里的P-△效應(yīng)指結(jié)構(gòu)整體計算時是否考慮的重力二階效應(yīng)，不包括構(gòu)件設(shè)計時的p-δ效應(yīng)。選擇該項，則軟件在結(jié)構(gòu)計算時考慮重力二階效應(yīng)，否則不考慮。軟件在設(shè)計結(jié)果文件中輸出了結(jié)構(gòu)是否應(yīng)該考慮重力二階效應(yīng)的判斷結(jié)果，設(shè)計人員可以參考軟件輸出結(jié)果進行設(shè)置。
2、組合系數(shù)
設(shè)置考慮二階效應(yīng)時的豎向荷載的系數(shù)，《鋼結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》5.2.3-1中規(guī)定二階效應(yīng)計算中，重力荷載應(yīng)取設(shè)計值。
3、迭代次數(shù)
設(shè)置P-△效應(yīng)的迭代次數(shù)。
4、收斂誤差
設(shè)置P-△效應(yīng)的收斂誤差。
5、考慮整體缺陷
勾選此項考慮整體缺陷，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》的5.4節(jié)的5.4.1條：采用僅考慮P-Δ效應(yīng)的二階彈性分析時，應(yīng)按本標準第5.2.1條考慮結(jié)構(gòu)的整體初始缺陷，計算結(jié)構(gòu)在各種荷載或作用設(shè)計值下的內(nèi)力和標準值下位移，并應(yīng)按本標準第6章～第8章的有關(guān)規(guī)定進行各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。計算構(gòu)件軸心受壓承載力時，構(gòu)件計算長度系數(shù)μ可取1.0或其他認可的值。
6、對應(yīng)的屈曲模態(tài)號
按最低階整體屈曲模態(tài)考慮整體缺陷，為此用戶可在軟件設(shè)計結(jié)果中查看屈曲振型，注意這低階整體屈曲模態(tài)不應(yīng)是薄弱桿件的屈曲模態(tài)，如果是則選擇其他模態(tài)。
7、最大缺陷值
結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷模式可按最低階整體屈曲模態(tài)采用?？蚣芗爸谓Y(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷代表值的最大值可取為H／250，H為結(jié)構(gòu)總高度。
8、按假想水平力考慮整體缺陷
軟件提供了假想水平力方式考慮鋼結(jié)構(gòu)整體缺陷算法。
9、計算長度系數(shù)置為1
將計算長度系數(shù)設(shè)置為1。
10、考慮梁元P-Δ效應(yīng)
勾選此項可考慮梁元P-Δ效應(yīng)。
展開 ANSYS結(jié)構(gòu)屈曲分析的理論背景 附ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析王新敏下載
ANSYS的特征值屈曲分析基于經(jīng)典穩(wěn)定性理論，用于計算不考慮缺陷的理想結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定臨界屈曲問題。首先進行靜力分析，得到外部載荷{F}作用下的應(yīng)力和應(yīng)力剛度[S]。在靜力有限元平衡方程中計入幾何剛度的影響，即：
將載荷{F}放大倍，幾何剛度[S]隨之放大，對于臨界屈曲情況，位移上施加一個任意的擾動ψ也是可能的平衡狀態(tài)，即有(說明：下面一段由于公式和圖片不便編輯，直接使用電子稿截圖)：
需要注意的是，工程上有實際意義的只是最低階的臨界屈曲荷載。盡管特征值屈曲得到的臨界荷載是偏于不安全的估計，但其失穩(wěn)模式能給設(shè)計人員提供啟發(fā)。由于實際結(jié)構(gòu)是有缺陷的，因此常采用特征值屈曲的失穩(wěn)模式按比例縮小作為結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷，疊加到結(jié)構(gòu)節(jié)點坐標上，考慮材料非線性和大變形，按增量法逐步增加結(jié)構(gòu)荷載，進行非線性靜力分析，直至結(jié)構(gòu)達到結(jié)構(gòu)的屈曲極限承載力。
下載地址：ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析王新敏
展開 案例58-吸力樁分析
該問題考察了缺陷對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。
重點介紹了以下特性和功能：
• 通用固體單元技術(shù)
• 莫爾-庫侖，地質(zhì)力學中使用的幾種材料模型之一
• 初始應(yīng)力狀態(tài)
• 屈曲分析（用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷）
• 非線性靜態(tài)分析
介紹
吸力樁（也稱為吸力沉箱或吸力錨）是連接到樁頂或樁帽的鋼管。蓋子包括：
• 用于控制壓力的閥門（用于嵌入樁的負壓或用于移除樁的正壓）
• 取決于樁的預(yù)期用途的各種連接
在操作過程中，吸力樁與周圍土壤相互作用。
使用吸力樁的工程結(jié)構(gòu)通常在必須考慮土壤-結(jié)構(gòu)相互作用的環(huán)境中運行，以真實地描述結(jié)構(gòu)行為。使用標稱幾何形狀，特別是在薄壁管壁的情況下，可能會導(dǎo)致高估結(jié)構(gòu)承載能力。
引入缺陷的有效方法包括進行預(yù)應(yīng)力屈曲分析，并根據(jù)結(jié)果生成更新的幾何圖形。然后，可以在隨后的非線性靜態(tài)分析中使用調(diào)整后的幾何結(jié)構(gòu)，以獲得更真實的結(jié)構(gòu)行為模擬。
問題描述
吸力樁周圍和部分填充有粘性低的砂狀土壤。
載荷條件包括內(nèi)外吸力樁表面上的主動和被動徑向土壓力。
使用特定的加載歷史進行具有標稱幾何結(jié)構(gòu)的非線性靜態(tài)分析。最初，應(yīng)用原位應(yīng)力狀態(tài)，考慮土壤的重力加速度、土壤深度和泊松比。吸力樁進一步承受負壓、吸力樁與打樁結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的界面力以及樁裙與土壤之間的附加摩擦力。
幾何缺陷由第一屈曲模態(tài)和規(guī)定的比例因子產(chǎn)生。
在更新幾何結(jié)構(gòu)以考慮缺陷后，進行后續(xù)的非線性靜態(tài)分析。與早期的標稱幾何靜態(tài)分析結(jié)果相比，應(yīng)力狀態(tài)和變形結(jié)果明顯不同。
建模
吸力樁模型使用SHELL281二次殼單元。
內(nèi)部和外部土壤模型使用SOLID186二次實體單元。
展開 結(jié)構(gòu)疲勞，今天聊聊航空發(fā)動機限壽件
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及各發(fā)動機OEM的實踐，F(xiàn)AA在考慮法規(guī)不應(yīng)限制工業(yè)技術(shù)的情況下，1984年FAA通過第10修正案對該條款進行了修訂。
與第6修正案相比，“33.14啟動-停車循環(huán)應(yīng)力（低周疲勞）”有以下幾處顯著變化：
第10修正案發(fā)布后，航空運輸行業(yè)仍會間斷發(fā)生因為盤等部件失效而導(dǎo)致的重大事故，如1989年發(fā)生的Sioux City空難以及1996在Pensacola發(fā)生2人罹難的非包容事件。
視頻蘇城空難剪輯片段（來自于網(wǎng)絡(luò)）
蘇城空難可以總結(jié)為：CF-6發(fā)動機風扇盤所用鈦合金（α+β相）在材料成型過程中產(chǎn)生了hard α相缺陷，通俗講就是指材料里面埋了一些“隱性炸彈”，導(dǎo)致該風扇盤在未達到預(yù)期的使用壽命時提前發(fā)生疲勞斷裂，破裂的風扇盤打穿發(fā)動機機匣、短艙并打斷DC-10飛機關(guān)鍵的全部三套液壓控制系統(tǒng)，從而使得飛機失去姿態(tài)控制能力，引發(fā)空難。
兩起空難事件引發(fā)了以下三個問題的思考：1、鈦合金作為廣泛使用的航空材料，如何降低類似缺陷出現(xiàn)的可能性，加工缺陷為何未能及時檢測發(fā)現(xiàn)并處理？2、風扇盤作為發(fā)動機典型的限壽件，采用非常保守的安全壽命法進行壽命設(shè)計，為何還不安全？3、風扇盤破裂產(chǎn)生高能非包容碎片，為何一次性破壞了飛機的全部3套關(guān)鍵液壓操控系統(tǒng)？
事故發(fā)生后，基于NTSB的調(diào)查結(jié)果，F(xiàn)AA以及工業(yè)方法從以上三個方面審視了現(xiàn)行方法中關(guān)于關(guān)鍵部件材料工藝和加工的控制、發(fā)動機轉(zhuǎn)動限壽件的定壽方法以及飛機區(qū)域安全性設(shè)計等環(huán)節(jié)的不足之處。對缺陷控制方面，F(xiàn)AA組織工業(yè)方分別在2000年和2008年發(fā)布了兩個階段的研究報告《TurbineRotor Material Design》，旨在降低材料制造過程引入的缺陷。
展開 采用PYTHON腳本在ABAQUS平臺實現(xiàn)軸壓桿屈后分析案例 ￥20
為實現(xiàn)軸壓桿件考慮初始缺陷后的極限承載力分析，特基于abaqus平臺編寫此python腳本。腳本實現(xiàn)了軸壓桿件自動建模和修改關(guān)鍵字等屈后分析流程，并進行注釋。讀者可根據(jù)自身需要，略微改動腳本，以實現(xiàn)參數(shù)化建模，達到大批量有限元分析的目的。
付費內(nèi)容為腳本文件，見下方。
圓柱線性屈曲的例子
非線性分析比較好的是能夠得到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的屈曲后特性，可以考慮初始缺陷還有材料的非線性包括邊界的非線性性能
但是在分析的時候最好是在線性特征值的基礎(chǔ)上，因為這種方法的結(jié)果依賴所加的初始缺陷，如果所加的幾何缺陷不是最低階，可能得到高階的失穩(wěn)模態(tài)
圓柱線性屈曲的例子.rar
【經(jīng)典案例欣賞8】鋼管混凝土柱-鋼梁螺栓連接節(jié)點滯回模擬
項目難點：
1、精細化建模；
2、螺栓連接設(shè)置（預(yù)緊力+接觸）；
3、單邊螺栓設(shè)置；
4、鋼梁考慮初始缺陷；
5、滯回模擬設(shè)置。
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【經(jīng)典案例欣賞4】螺栓球節(jié)點或桿件受力分析
項目難點：
1、螺栓球節(jié)點處桿件與球節(jié)點的預(yù)制裝配連接；
2、考慮初始缺陷，拉壓滯回曲線嚴重非對稱；
3、精細建模。
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斷裂力學簡介及案例分析
1.概述
傳統(tǒng)的強度理論將材料和結(jié)構(gòu)考慮為沒有裂紋的完整體。通過計算結(jié)構(gòu)在外載作用下的應(yīng)力應(yīng)變并采用一定的安全系數(shù)，以滿足工程需要。
但實際材料和結(jié)構(gòu)中可能存在裂紋（缺陷），尤其是對于高強度材料（如高強度合金鋼）或處在某些條件下（如含腐蝕介質(zhì)的環(huán)境）的材料。
此時，使用傳統(tǒng)的強度理論評估結(jié)構(gòu)性能（結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計）已不合適。因此需要研究結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展規(guī)律及斷裂失效控制理論和方法，即斷裂力學。
2.分類
根據(jù)裂紋尖端屈服區(qū)域大小不同，斷裂力學可分為線彈性斷裂力學與彈塑性斷裂力學。前者適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況；而后者適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。
應(yīng)力在裂紋尖端有奇異性，因此引入應(yīng)力強度因子（其在裂紋尖端為有限值），它控制裂紋尖端場附近的應(yīng)力場和位移場。
應(yīng)力強度因子通常用于線彈性斷裂問題及小范圍屈服條件下裂紋擴展斷裂問題。對大范圍屈服條件下裂紋擴展斷裂問題，與之對應(yīng)的可使用J積分來描述，線彈性情況下其與應(yīng)力強度因子等價。
對于不考慮裂紋（缺陷）的物體，當結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平超過其材料的屈服應(yīng)力（通常作為彈性設(shè)計中的失效判據(jù)）時，認為結(jié)構(gòu)發(fā)生失效；與之類似，對于考慮裂紋（缺陷）的物體，當裂紋尖端的應(yīng)力強度因子達到一定臨界值（斷裂韌性）時，裂紋萌生；隨后發(fā)生穩(wěn)定擴展；最后失穩(wěn)擴展直至斷裂。
3.案例
2022年1月18日，重慶市鵝公巖軌道橋（其主要供重慶軌道環(huán)線列車運行）一吊索叉耳螺桿發(fā)生斷裂。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：工程校核考慮
此時螺栓受到的載荷主要包含：
①螺栓軸力FB=F+Φ*P
②衰減的螺紋扭矩載荷T‘=k*T
對應(yīng)地會產(chǎn)生螺栓正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ
按照機械設(shè)計手冊和VDI2230校核要求，對于承受軸力載荷的螺栓需要滿足：
螺栓光桿表面應(yīng)力＜材料屈服強度（不發(fā)生塑性變形）
如果有密封壓力要求，則還需要滿足：
被連接件夾緊壓力＞密封壓力（不發(fā)生泄露）
同時可以觀察到，只要被連接件還處在被壓緊（未分離）的狀態(tài)，大部分軸向外載荷實際都是由被連接件分擔，也就是說：
如果螺栓受到軸向循環(huán)載荷作用，螺栓中的應(yīng)力波動只有Φ*P，而
對于螺栓疲勞問題而言，波動幅值的影響遠遠大于平均應(yīng)力水平，因此：
按照《螺紋緊固件聯(lián)接工程》，對于螺栓的拉伸疲勞問題需要滿足：
①被連接件夾緊力＞0（被連接件不發(fā)生分離）
②螺栓應(yīng)力幅＜螺栓拉伸疲勞極限（不發(fā)生拉伸疲勞）
【需要注意一點，
螺栓的拉伸疲勞極限不僅僅是指對應(yīng)材料的疲勞極限，而是考慮缺陷，應(yīng)力集中等因素（缺口系數(shù)）共同影響的疲勞極限值
】
假設(shè)軸向載荷P較大，使得被連接件發(fā)生分離，如圖所示：
則此時所有的外載增量都會疊加到螺栓上，而螺紋扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也會衰減甚至消失，螺栓主要受到的載荷為軸向拉力P
按照《螺紋緊固件聯(lián)接工程》，對于單次軸向過載需要滿足：
螺栓拉應(yīng)力＜材料抗拉強度（不發(fā)生拉伸斷裂）
切向受載狀態(tài)
展開 為什么經(jīng)典斷裂力學算不準？——從"無限尖裂紋"到"真實物理過程"的范式轉(zhuǎn)變
經(jīng)典斷裂力學假設(shè)裂紋尖端是數(shù)學上的"無限尖點"，導(dǎo)致應(yīng)力/應(yīng)變出現(xiàn)非物理的奇異性，且完全忽略缺陷尺度對承載能力的影響。新理論通過"均勻化能量密度"框架，證明裂紋尖端變形實際上是非奇異的，并能客觀預(yù)測缺陷尺寸效應(yīng)，為準脆性材料的極限承載能力評估提供了物理上一致的方法。
一、經(jīng)典斷裂力學的"阿喀琉斯之踵"
1.1 數(shù)學尖點 vs 物理現(xiàn)實
1913年，Inglis分析了含裂紋無限大板的應(yīng)力集中問題，奠定了線彈性斷裂力學（LEFM）的基礎(chǔ)。其核心假設(shè)是：裂紋尖端是數(shù)學上的尖點（半徑為零）。
這個假設(shè)帶來了嚴重的物理矛盾：
應(yīng)力奇異性：根據(jù)LEFM，裂紋尖端的應(yīng)力隨 發(fā)散，理論上趨于無窮大，裂紋擴展將無任何阻力應(yīng)變奇異性：位移梯度在尖端處同樣發(fā)散
1.2 無法解釋的"尺寸效應(yīng)"
經(jīng)典理論的另一個致命缺陷是無法考慮缺陷尺度對承載能力的影響：
實驗觀測經(jīng)典理論預(yù)測矛盾小孔試樣的斷裂強度顯著高于大孔試樣
應(yīng)力集中系數(shù)恒為3，與孔徑無關(guān)
? 嚴重不符
微懸臂梁越薄，表觀剛度越大
彈性模量為材料常數(shù)
? 完全失效
裂紋尖端實際存在斷裂過程區(qū)（FPZ）
裂紋尖端應(yīng)力無限大
? 非物理
這些現(xiàn)象表明，當結(jié)構(gòu)特征尺寸（孔徑、裂紋長度、梁厚度）與材料的特征微觀尺度（晶粒尺寸、骨料粒徑、高分子鏈尺度）相當時，經(jīng)典理論徹底失效。
展開 