局部屈曲的案例
【鋼結構原理】五種鋼結構失穩模式
結構失穩模式——如彎曲屈曲、橫向扭轉屈曲、局部屈曲、剪切屈曲和殼體屈曲——在根本原因、行為以及影響的結構部件方面各不相同。
全面理解和識別這些穩定性問題對于進行準確的分析和設計堅固的結構至關重要。本文將通過詳細解釋每種失效類型，包括其特征、主要原因和關鍵特點，來幫助您實現這一目標。
最后，將提供一個對比表，以總結不同失效類型之間的差異，使您更容易識別和區分它們。
在閱讀本文時，請記住，所有這些失效模式都可以使用Dlubal的結構穩定性模塊進行分析。通過利用這一工具，您可以通過先進的有限元分析（FEA）來應對與這些失效類型相關的挑戰。
01-彎曲屈曲（Flexural Buckling）
彎曲屈曲發生在軸壓構件中，由于壓力導致構件側向彎曲或“屈曲”。這種現象發生在超過臨界載荷時，即構件在壓力作用下失去穩定性的載荷。
屈曲最常見于細長柱或長細比（長度與回轉半徑之比）較高的構件。這種行為通常由彈性材料的歐拉屈曲公式控制，但它可能涉及彈性屈曲或非彈性屈曲，具體取決于材料的屬性和構件的幾何形狀。
02-橫向扭轉屈曲（Lateral - Torsional Buckling）
橫向扭轉屈曲主要發生在受彎梁中，這種屈曲模式會引起構件橫向位移和扭轉。受彎構件中受壓翼緣受壓且受壓翼緣沒有足夠側向約束是產生這種失效模式的主要原因。
橫向扭轉屈曲的發生主要受到以下因素的影響：無支承長度、截面形狀、彎矩梯度等。一般通過橫向扭轉屈曲彈性臨界彎矩來分析。
03-局部屈曲（Local Buckling)
局部屈曲是指截面內板件（腹板/翼緣）的屈曲，而 桿件整體沒有屈曲。
展開 加勁肋對單管塔結構抗震性能影響
各結構強度均在達到屈服位移后開始出現下降，從應力云圖可以看出，強度出現下降時結構開始出現局部屈曲，其中未設置加勁肋的結構其反力值下降速度明顯高于設置加勁肋的結構，其局部屈曲位置在距離底部300~400mm處；
4.計算機硬件情況
建模及計算所用計算機硬件情況如圖5所示。
計算耗時為15min，各模型時間差別在5min以內，且計算時間隨結構破壞程度增加而增加。計算時應注意打開幾何非線性選項，根據計算可知打開幾何非線性后機構破壞情況更接近真實情況且滯回曲線有捏縮出現。
案例21-環肋圓柱的非線性穩定屈曲與后屈曲分析
本示例問題是使用非線性穩定的非線性屈曲和后屈曲分析。該問題使用一個承受均勻外壓力的環肋圓柱來說明如何找到非線性屈曲載荷，在屈曲后階段實現收斂，并解釋結果。
簡介
屈曲分析對于成功的結構設計和仿真至關重要，尤其是當涉及薄殼和梁等結構時。雖然線性屈曲分析相對簡單，但它受到近似值的限制，無法模擬后屈曲現象。非線性屈曲分析沒有這些局限性，因此是首選的，即使它稍微復雜一些，需要一些試錯實驗。
通過類比，在物理世界中也很難確定屈曲的開始。“從科學和工程的角度來看，當肉眼可見結構未變形時，屈曲現象的有趣階段通常發生在變形非常大之前或僅輕微變形”。為了進行非線性屈曲分析，需要特殊的非線性分析技術來克服收斂困難，通常需要進行一些試驗。
以下技術可用于解決不穩定性或屈曲問題：
• 非線性穩定
該能力處理屈曲的局部和全局不穩定性，可用于除弧長法以外的任何其他非線性技術。
• 弧長法
該方法僅處理施加力時的整體失穩或屈曲，并可以模擬載荷-位移曲線的負斜率區域
• 將靜態問題作為“慢動態”分析
該技術使用動態效果來防止發散，但可能很難使用。
本示例使用外部靜水壓力下的環形加緊圓柱來演示如何預測屈曲載荷并借助非線性穩定來模擬后屈曲現象。將數值模擬結果與參考實驗結果進行了比較。
問題描述
一個由裸露的2024-T3鋁合金制成的圓柱體內部用五個Z形環加固。它的兩端用厚鋁隔板封閉。在頂板和頂環以及底板和底環之間存在鉚接的L形截面。
圓柱承受外部壓力差。壓力導致局部屈曲現象，其特征是加強環之間的蒙皮屈曲，最終導致坍塌。對屈曲壓力、屈曲和坍塌模式、圓柱體屈曲的波數以及荷載-位移曲線進行了檢查，并與參考結果進行了比較。
展開 如何按新鋼標控制寬厚比？
因此，從承載力角度來說，截面等級是板件易發生屈曲程度和截面塑性發展程度的度量；從塑性設計和抗震設計角度而言，是截面塑性轉動和延性耗能能力的等級。所以，新鋼標按照根據截面承載力和塑性轉動能力，參考國際標準，并考慮到我國在受彎構件設計中采用截面塑性發展系數γx，新鋼標將截面根據其板件寬厚比分為五個等級S1~S5，各級截面對應的性能，按照截面受彎的力學性能已經給出了很明確的描述。
S1級截面：可達全截面塑性，保證塑性鉸具有塑性設計要求的轉動能力，且在轉動過程中承載力不降低，稱為一級塑性截面，也可以稱為塑性轉動截面；此時圖1所示的曲線1可以表示其彎矩-曲率關系。?p2一般要求達到塑性彎矩Mp除以彈性初始剛度得到的曲率?p的8~15倍。
S2級截面：可達全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性鉸轉動能力有限，稱為二級塑性截面；此時彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線2，?p1大約是?p的2~3倍。
S3級截面：翼緣全部屈服，腹板可發展不超過1/4截面高度的塑性，稱為彈塑性截面；作為梁時，其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線3。
S4級截面：邊緣纖維可達到屈服強度，但由于局部屈曲而不能發展塑性，稱為彈性截面；作為梁時，其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線4。
S5級截面：在邊緣纖維達到屈服應力前，腹板可能發生局部屈曲，稱為薄壁截面；作為梁時，其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線5。
圖1 截面的分類及其轉動能力
需要注意的是，S4級截面界限是邊緣纖維剛好達到屈服狀態。S1~S3級截面，能發展截面塑性，設計中可以按照規范的要求考慮塑性發展系數。而S5級截面在邊緣屈服未達到時，板件就已發生局部屈曲，只能考慮有效截面進行計算。因此對于板件寬厚比超出了S4時，按照新鋼標需要考慮有效截面復核強度與穩定。
展開 
ANSYS經典案例在Workbench中實現之薄壁結構的屈曲與后屈曲分析
在靜力學分析中，尤其是在結構局部屈曲分析和時間相關非線性材料分析中，非線性穩定性控制（nonlinear stabilization）是一個非常好的選擇。
此外，在進行重啟動計算時，盡量避免在計算發散的時間點重啟動計算。比如本例中，計算在第十四個子步發散，在重啟動計算時，選擇在第十個子步設置nonlinear stabilization并啟動計算。如果計算依舊不收斂，則應選擇更靠前的時間點。
在后屈曲分析中，需要設置非線性穩定性控制（nonlinear stabilization）以保證計算收斂。通常有兩種方式實現：定義阻尼系數或定義能量比。用戶需要選擇通過哪種方式進行控制，然后輸入適當的值。理論上，用戶應該根據結構失穩類型、網格尺寸與類型，以及時間步長的綜合考慮進行設置。用戶可能需要經過多次嘗試才能尋找到相對合理的輸入。總之，nonlinear stabilization的目的是以最小的附加阻尼力獲得整個計算的收斂性。
（1）阻尼方法：如果用戶使用阻尼方法，意味著阻尼將定義在所有單元上。一旦阻尼值過大，附加在結構上的控制也會很大，因此結構剛度相應偏大，即結構很難產生變形；如果阻尼值過小，那么該設置不會起到控制計算收斂的作用。綜上所述，阻尼控制方法不適合用于局部非線性屈曲失效的結構。
（2）能量方法：由于本案例中的薄壁結構的失效是由于局部屈曲失效引起的，所以能量方法更加適合本案例。能量方法的原理是在不同的單元處施加不同的阻尼，所以程序會給容易失穩的單元施加較大的阻尼，而給不易失穩的單元施加較小的阻尼，這樣既可以控制計算的穩定性，同時也可以將附加控制力降低到最小。本案例中取能量比為0.000143進行計算。
展開 軍用戰斗機中碳纖維復合材料的應用及材料選擇標準（一）：應力標準
碳纖維復合材料的機械性能，例如高拉伸和壓縮彈性模量、高缺口拉伸和缺口壓縮強度等，提供了較高的襟副翼、足夠的蒙皮和梁腹板屈曲穩定性以及較高的載荷引入強度。圖3顯示了駕駛艙區域中前機身的典型結構，并說明了與機翼相同的標準在這里是如何主要有效的。
圖3 碳纖維機身典型截面結構
在制造或使用過程中，結構通常容易受到異物損壞，可能在碳纖維復合材料中產生幾乎不可見的分層，并可能導致壓縮強度降低。實驗數據表明，分層可以在不同的過程中進行，主要是受到沖擊損傷的影響。在這種情況下，通常無法從沖擊面檢測到分層。研究發現，分層大大降低了壓縮性能，因為結構表現為一系列薄支柱，而不是原始厚截面。
沖擊后壓縮強度是關于應力的另一個重要要求。如圖4所示，分層試樣的抗壓強度隨初始分層面積的增大而減小。孔洞越大，孔洞周圍的應力區域越高，這會因裂紋而降低材料的強度。這可以通過失效模式來解釋。當壓縮載荷施加到分層面積較小的試樣上時，分層將增長并導致局部屈曲和破壞。
圖4 沖擊后壓縮強度與初始分層面積的關系
與金屬材料不同，CFC層壓板非常容易受到與靜強度相關的缺口的影響，因此它對破壞具有彈性，無法在缺口（螺栓孔、切口等）周圍發生局部屈服（圖5）。此外，層壓板缺口強度會受缺口尺寸的影響。
圖5 碳纖維復合材料層壓板的缺口拉伸強度
在缺口準各向同性層壓板中，可能會發生局部屈曲，從而導致過早斷裂。因此，CFC制造的戰斗機機身結構的主要標準包括拉伸和壓縮彈性模量、缺口拉伸和壓縮強度以及沖擊后壓縮強度（CAI）。此外，開孔壓縮中的強度降低不如拉伸中嚴重，這可能是因為凈壓縮強度本身明顯小于拉伸中的強度，并且已經說明了壓縮應力狀態下的一些強度降低特征。
此外，在潮濕的環境中，基體材料會吸收水分并降解，從而減少對纖維的支撐。
展開 基于特征值的加筋圓柱的非線性屈曲分析 ￥5
屈曲是一種結構失穩形式，其中載荷的微小增量會導致變形的極大增量。
本模擬演示了對加筋圓柱的非線性屈曲分析。
該模擬采用圓柱柱局部屈曲分析來演示如何
在初始幾何形狀中引入一種缺陷。這種缺陷的量
為了使模型在數值上發生屈曲，這是必要的。采用了非線性穩定化方法
以達到在屈曲點處的收斂。可能需要多次迭代才能
找到一個理想的能量耗散比，并確保模擬收斂
并將穩定能量限制在可接受范圍內
仿真APP應用案例——風載荷作用下的風機塔筒受力分析
風壓不僅影響塔筒的強度和剛度性能，還可能誘發局部屈曲、疲勞破壞或整體失穩等問題，給設計和運行帶來嚴峻挑戰。
為了提高風機塔筒結構的設計效率并降低失效風險，風載荷作用下的風機塔筒受力分析仿真APP提供了一套集成化的分析工具。通過將塔筒結構的幾何尺寸、材料參數以及風載荷數據進行參數化建模，用戶可以輕松調整相關參數，快速評估不同設計方案在特定風壓載荷下的受力狀態和變形情況，幫助設計人員及時發現潛在問題并優化設計方案。
該APP能夠快速直觀預測塔筒的力學性能，為風機塔筒設計提供重要依據，有效助力風機塔筒結構的安全性、經濟性與高效性，為可持續能源開發提供強有力的技術支持。
在線體驗此仿真APP：https://www.simapps.com/v/230622.html
展開 ANSYS三種網格重分方法
--與Rezone功能的最大區別：自動化
--提高分析精度
--捕獲局部變形的更多細節
--適用于包含小空隙的橡膠密封、滲透、局部頸縮、局部屈曲、裂紋仿真等分析
該功能支持ANSYS經典環境和ANSYS WB，在最新的ANSYS19.0，支持高階單元網格重分計算。
來源： 張老師 米塞斯數值模擬
abaqus分析熱軋橢圓空心型鋼的抗壓強度（一）
這種敏感性是由于在發生局部屈曲之前組成元件所達到的應變硬化水平。較不粗壯的截面位于屈服平臺之上或略低于屈服平臺，因此對局部屈曲點的變化不太敏感（就極限載荷而言）。對于屈服載荷和彈性屈曲載荷值相近的細長橢圓形空心截面，預計敏感性會增加。</p><p>在驗證了 FE 模型能夠復制長寬比為 2 的 EHS 測試行為的一般能力后，進行了一系列參數研究。參數研究的主要目的是調查橫截面細長和長寬比對極限承載能力的影響。根據對 150 × 75 × 6.3 截面進行的拉伸試樣試驗，開發了一個分段線性材料應力-應變模型，如圖 19 所示。非線性參數分析中的初始幾何缺陷采用最低彈性特征模態的形式，振幅 w0 為 t/100，這與測試結果最一致（表 4）。參數研究中考慮的截面尺寸為 150 × 150、150 × 100、150 × 75 和 150 × 50，厚度各不相同，以覆蓋橫截面細長范圍。該結果已用于驗證橢圓形空心截面所提出的細長參數和橫截面分類極限，并將在下一節中詳細討論。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202411/37a0228b140ceac7b79d0ca6e9fa183f.png"></p><p>A numerical modelling study, using the finite element (FE) package ABAQUS [9], was carried out in parallel with the experimental programme.
展開 Ansys 院士私享講堂｜“一天跑完上億自由度”——大規模裝配-接觸仿真的最新突破
10 月 24 日（周五）下午，Ansys 總部院士朱永誼博士首次線下開講，帶來四大“黑科技”：
1
混合多點約束
“一個接觸對”自動識別固體-殼任意組合，依局部幾何秒選最優約束，無需手動修正偏移或對齊法向，前處理更省力，結果更精準。
2
并行-接觸對自動分割
大接觸對智能拆分子域，核心數越高并行效率越穩，拆分前后結果一致，全程無需手動干預。
3
統一非光滑接觸檢測
節點、高斯、Mortar 三法合一，求解器實時切換，輕松應對棱邊、角點等極端接觸，復雜裝配收斂更穩健。
4
自適應穩定求解
隱式?瞬態?半隱式自動接力，局部屈曲、材料軟化、接觸躍遷全程“一鍵求解”，原先難收斂的模型也能順利收斂。
關鍵詞：混合多點約束方法、接觸檢測、高性能計算、自適應求解器方案
時間：2025年10月24日（周五），14:00-16:30
地點：上海
費用：免費（報名需審核，請正確填寫完整的單位名稱及郵箱等基本信息，以便成功報名）
嘉賓介紹：
朱永誼 博士 | Fellow, Ansys Inc (Part of Synopsys)
朱永誼博士是Ansys的院士，擁有超過40年的計算力學與有限元研發經驗。他在MAPDL產品的接觸建模、非線性動力學及大規模仿真方面做出了開創性貢獻。朱博士在比利時列日大學獲得博士學位，并在橡樹嶺國家實驗室完成博士后研究。他發表了40多篇期刊文章，并擁有多項專利，將學術研究與工業軟件創新緊密結合。
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本次活動席位有限，審核制入場。
展開 
雙非線性穩定的四個案例
案例一
某鋼結構單層網格結構，超罕遇地震作用下，部分桿件發生屈曲，同時伴隨屈服（動力彈塑性分析結果）。
地震作用下部分桿件屈曲失穩
桿件軸力-變形滯回曲線
案例二
某三塔連體結構，連廊的豎向支撐結構，采用框架+純鋼板墻，地震作用下，薄鋼板發生側向屈曲。
鋼板側向鼓出局部屈曲現象
鋼板發生屈曲時的塑性應變
鋼板墻側向變形時程曲線
鋼板墻地震響應滯回曲線
案例三
某劇院屋蓋，采用鋼筋混凝土薄殼結構，在不斷增大的豎向荷載作用下，出現整體失穩及強度破壞。
失穩時混凝土的混凝土受壓損傷系數
荷載位移曲線
注：上圖中曲線上的數字代表在非線性靜力加載過程中，根據對應于該荷載的結構及時剛度進行特征值屈曲分析所得荷載因子。
案例四
某三塔連體結構，采用鋼結構支撐筒體體系，主體結構在豎向荷載下的極限失穩破壞。
結構組成
僅考慮幾何非線性時的荷載位移曲線
考慮雙非線性時的荷載位移曲線
接近失穩時的塑性分布
失穩后的塑性分布
來源：小匠驛站
作者： 安東亞
展開 Ansys | 環肋圓柱體的非線性屈曲分析
反力-時間曲線（圖 5）顯示了峰值力的大小，該峰值對應于屈曲載荷。
圖 4. 圓柱柱體的屈曲形狀
圖 5. 反力-時間曲線
總結
本模擬通過圓柱柱體局部屈曲分析，說明了如何向初始幾何引入缺陷。這種缺陷量對于使模型在數值上發生屈曲是必要的。使用非線性穩定化是為了在屈曲點處實現收斂。
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設計仿真 | 生產制造中飛機零部件翻轉裝置的優化設計
需要分析四種類型的應力-拉伸、壓縮、局部屈曲和臨界應力，每種應力都要進行測試以確認測試是否通過或失敗。使用該分析的結果，開發了第三個設計方案，如圖4和圖5。方案采用了一些變化。例如翻轉樞軸線靠近零件重心（CG），以減少作動器臂的運動并提供更大的支撐。這也有助于提高穩定性，避免使用磁性夾具。該團隊還使用鉸鏈來進一步改進設計。
圖4 第三個設計方案
圖5 翻轉裝置最終的設計方案及實際的測試應用
2024
客戶收益
通過將Adams多體動力學模擬、Patran進行有限元分析（FEA）的前/后處理，以及MSC Nastran進行FEA的組合，設計團隊能夠構建一個具有高安全系數高度優化的翻轉裝置設計。事實上，第三次設計迭代的安全系數比第二次設計迭代提高了23倍。它不僅在功能上令人滿意，結構上也很健全，而且重量比第一次設計小了15%。同時，最終的設計方案有助于節省材料成本，并有助于防止冗余設計。
展開 在 COMSOL 中進行靈敏度分析
然而，這將導致垂直梁的長度加倍，結構將變得更容易受到局部屈曲的影響。
本文來自：COMSOL
