結(jié)構(gòu)載荷識別的案例
設計仿真 | Actran聲源識別方法連載（一）：結(jié)構(gòu)載荷識別
圖 3 等效點聲源識別
以上各種聲源識別方法都能幫助仿真工程師構(gòu)建從聲源定義到振動噪聲傳播路徑模擬再到響應計算的完整流程。上述流程中，也可以使用仿真得到的振動或者噪聲結(jié)果進行等效聲源的推導。
基于振動測試結(jié)果反推結(jié)構(gòu)載荷
這一期，我們將介紹第一種振動識別方法：基于振動測試結(jié)果反推結(jié)構(gòu)載荷。其他識別方法將在后續(xù)的文章中加以介紹。
當我們遇到產(chǎn)品振動或輻射噪聲超標，需要進行優(yōu)化設計時，在載荷未知而只有結(jié)構(gòu)有限元模型的情況下，很難定量的評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。如果能夠獲得實際的載荷，并用于新的設計方案的仿真分析和驗算，是非常有工程意義的。
自Actran 2023.2版本以來，新增了Equivalent BC analysis分析功能，旨在根據(jù)振動或噪聲的測量值求解結(jié)構(gòu)力或聲源載荷強度。這種分析包括兩個步驟，整合了Actran常規(guī)分析功能與載荷反推功能：
（1）提取每一種載荷（contributor）對目標測點響應的傳遞函數(shù)。
（2）根據(jù)目標測點響應的輸入值，利用反推算法基于上述傳遞函數(shù)計算等效載荷的幅值和相位信息。
因此，在使用這一種振動識別方法時，需要已知結(jié)構(gòu)的有限元模型或模態(tài)，并能準確的定義結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的載荷形式（集中力/分布力/壓力等），但載荷大小未知。通過結(jié)構(gòu)振動表面的測試結(jié)果反推載荷強度。反推出的載荷可用于進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噪聲評估。
詳細的流程如下：
（1）獲得實驗測試的加速度數(shù)據(jù)。
（2）基于振動有限元模型定義(Equivalent BC)等效載荷反推模型，為每個結(jié)構(gòu)載荷設定一個“假”的數(shù)值并添加至對應的contributor中。
（3）Actran將計算每一個contributor到加速度測點之間的傳遞函數(shù)，并結(jié)合實驗測試數(shù)據(jù)計算每個貢獻者的載荷強度，同時輸出所有結(jié)構(gòu)單元的振動響應及模態(tài)參與因子。
展開 從不收斂的結(jié)果中識別正確塑性極限載荷
極限分析假定結(jié)構(gòu)所用材料為理想彈塑性材料。在某一載荷下結(jié)構(gòu)進入整體或局部區(qū)域的全域屈服后，變形將無限制地增大，結(jié)構(gòu)達到了它的極限承載能力，這種狀態(tài)即為塑性失效的極限狀態(tài)，這一載荷即為塑性失效時的極限載荷。
一、問題描述
軸的直徑為D = 10 mm，長度L = 40 mm。假設材料為理想彈塑性材料，扭轉(zhuǎn)剪切屈服強度200 MPa，彈性模量E = 200 GPa，泊松比μ = 0.3。計算圓軸扭轉(zhuǎn)的極限扭矩。
二、塑性極限扭矩的解析解
參考文獻：劉鴻文. 材料力學 II (第6版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2017: 241-244.
三、剪切強度與第三、第四強度理論的關(guān)系
四、從不收斂的結(jié)果中識別塑性極限載荷
五、操作步驟
1．進入ANSYS
程序 → ANSYS → ANSYS ProductLauncher → 改變working directory到指定文件夾 → 在job name輸入：file → Run。
2．定義單元屬性
（1）單元類型：Main Menu >Preprocessor>Element Type >Add/Edit/Delete→Add→在左列表框中選擇Beam，在右列表框中選擇2 node 188→OK。
（2）橫截面截面：Main Menu >Preprocessor>Sections >Beam >CommonSections →ID：輸入1；Sub-Type：選擇實心圓形截面；R：輸入5；N：輸入24；T：輸入12 →Meshview →OK。單位采用mm、N和MPa。
展開 利用圖像識別技術(shù)進行全自動非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分
今天給大家分享一個很有意思的劃分網(wǎng)格工具：可以根據(jù)圖像進行非結(jié)構(gòu)化劃分網(wǎng)格。
代碼來源：https://github.com/otvam/mesh_from_bitmap_matlab
若Github訪問速度較慢，也可以在公眾號后臺回復：圖像識別劃分網(wǎng)格，便可自動獲取壓縮包。
示例效果
先看看一些效果圖吧：
代碼介紹
主函數(shù)文件
用戶可通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)體里面的參數(shù)進行圖像的拾取及單元尺寸的控制，需要注意有以下幾點：
在進行選擇圖像時，只能選擇黑、白兩種顏色的圖像，即黑色區(qū)域為劃分網(wǎng)格的區(qū)域；
圖像通過
imread函數(shù)進行讀取，支持
bmp、
png、
jpg格式；
h_min與
h_max分別控制單元的最小尺寸與最大尺寸；
h_growth表示單元尺寸的增長率，具體含義我解釋不清楚，反正，h_growth越大，網(wǎng)格越稀疏，h_growth越小，網(wǎng)格越密集；
scale與
simplify_tol也是控制網(wǎng)格局部加密的函數(shù)，會根據(jù)內(nèi)外輪廓進行適當局部加密。
展開 土木界首篇人工智能論文出爐：用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷視覺識別
我當時在考慮一個事兒：這么高大上的新科技，應當不僅僅用在人臉識別、語音識別、智能助手、自動駕駛等生活、工作輔助類的科技中，也應當在我們土木工程領(lǐng)域有所體現(xiàn)——土木工程是一個“古老”的行業(yè)不假，但我們的終極使命是改善人類的生活環(huán)境啊，這自然是不應當與最新科技絕緣的。
于是，我從去年下半年開始做了一些數(shù)據(jù)和資料方面的準備，get了一些新技能，用一些小代碼做了些嘗試，覺得把智能算法用在橋梁領(lǐng)域，做一個“分類器”是完全可行的。但放眼各大數(shù)據(jù)庫，竟沒能找到任何關(guān)于“新智能算法”(我的意思是以前用的神經(jīng)網(wǎng)絡等不算)文章。。。
然而就在今天早上，我很驚喜地看到了一篇發(fā)表在《Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering》上的文章：《Deep Learning-Based Crack Damage Detection Using Convolutional Neural Networks》！
如果我沒看錯，這應該是“新智能算法”在土木工程領(lǐng)域的第一篇paper，加拿大曼尼托巴大學（University of Manitoba）的Young-Jin Cha和Wooram Choi教授，以及麻省理工的Oral Buyukozturk教授給我們講述了這么一個事兒：
以橋梁健康監(jiān)測為主要研究方向的Young-Jin Cha副教授指出，對于橋梁結(jié)構(gòu)性能隨時間變化的監(jiān)測是十分重要的，過去常用的手段是在橋梁上布置大量的傳感器，硬件成本較高，后期數(shù)據(jù)處理較為復雜。近年來又興起了基于視覺識別的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)，即image processing techniques(IPTs)。
展開 
：借助STEM的位相襯度識別平衡態(tài)Ni-YSZ界面原子結(jié)構(gòu)
平衡固-固界面的原子結(jié)構(gòu)借助單色消像差矯正的掃描透射電子顯微鏡（STEM）使用不同技術(shù)來確定。結(jié)果顯示由于Ni和YSZ重構(gòu)界面之間發(fā)生了大的晶格錯配，形成了一種包含高密度失配位錯的特殊結(jié)構(gòu)。然而，盡管有大的晶格錯配，界面也不是非共格的。界面由陽離子終止，這可能是由于低氧偏壓下達到平衡導致的。
【圖文導讀】
圖1：通過固態(tài)潤濕方法制備，平衡態(tài)Ni顆粒在YSZ基底上的二次電子HRSEM圖像。
顆粒的(111)面與YSZ基底表面的(111)面平行。點劃線矩形為FIB選擇的區(qū)域，用于TEM分析。
圖2：同時獲得的平衡態(tài)Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區(qū)域STEM圖像。
(a)高角度環(huán)形暗場STEM圖像；
(b)環(huán)形明場STEM圖像。
圖3：界面區(qū)域的iDPC-STEM表征。
(a)平衡態(tài)Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區(qū)域的iDPC-STEM圖像，界面處Ni原子和Zr原子之間的電荷轉(zhuǎn)移明顯可見;
(b)將(a)圖使用高通濾波器進行過濾后的圖像，原子柱位置可在界面兩側(cè)都看到；
(c)白色方框劃定的沿界面交替排布的重復單元定義為A和B，一個剩余連續(xù)平面（B單元）在一列結(jié)構(gòu)單元之間分離。
圖4：界面區(qū)域的EDS分布圖。
(A)界面的環(huán)形暗場STEM圖像；
(B-F)同一區(qū)域的EDS能譜分布圖。
【小結(jié)】
本工作借助IDPC STEM和EDS能譜分布圖確定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子結(jié)構(gòu)。實驗圖像顯示界面采用一種含有高密度失配位錯的特殊結(jié)構(gòu)，這是由于兩相具有特殊的取向關(guān)系，產(chǎn)生大的晶格失配導致的。然而，盡管具有較大的晶格失配，界面仍不是非共格的。觀察到的位錯序列定義了界面的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過吸收錯配應變能使得界面能最小化。
展開 ：借助STEM的位相襯度識別平衡態(tài)Ni-YSZ界面原子結(jié)構(gòu)
平衡固-固界面的原子結(jié)構(gòu)借助單色消像差矯正的掃描透射電子顯微鏡（STEM）使用不同技術(shù)來確定。結(jié)果顯示由于Ni和YSZ重構(gòu)界面之間發(fā)生了大的晶格錯配，形成了一種包含高密度失配位錯的特殊結(jié)構(gòu)。然而，盡管有大的晶格錯配，界面也不是非共格的。界面由陽離子終止，這可能是由于低氧偏壓下達到平衡導致的。
【圖文導讀】
圖1：通過固態(tài)潤濕方法制備，平衡態(tài)Ni顆粒在YSZ基底上的二次電子HRSEM圖像。
顆粒的(111)面與YSZ基底表面的(111)面平行。點劃線矩形為FIB選擇的區(qū)域，用于TEM分析。
圖2：同時獲得的平衡態(tài)Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區(qū)域STEM圖像。
(a)高角度環(huán)形暗場STEM圖像；
(b)環(huán)形明場STEM圖像。
圖3：界面區(qū)域的iDPC-STEM表征。
(a)平衡態(tài)Ni顆粒沿Ni[-110]軸向的界面區(qū)域的iDPC-STEM圖像，界面處Ni原子和Zr原子之間的電荷轉(zhuǎn)移明顯可見;
(b)將(a)圖使用高通濾波器進行過濾后的圖像，原子柱位置可在界面兩側(cè)都看到；
(c)白色方框劃定的沿界面交替排布的重復單元定義為A和B，一個剩余連續(xù)平面（B單元）在一列結(jié)構(gòu)單元之間分離。
圖4：界面區(qū)域的EDS分布圖。
(A)界面的環(huán)形暗場STEM圖像；
(B-F)同一區(qū)域的EDS能譜分布圖。
【小結(jié)】
本工作借助IDPC STEM和EDS能譜分布圖確定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子結(jié)構(gòu)。實驗圖像顯示界面采用一種含有高密度失配位錯的特殊結(jié)構(gòu)，這是由于兩相具有特殊的取向關(guān)系，產(chǎn)生大的晶格失配導致的。然而，盡管具有較大的晶格失配，界面仍不是非共格的。觀察到的位錯序列定義了界面的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過吸收錯配應變能使得界面能最小化。
展開 極端波浪放大及其對海上結(jié)構(gòu)的沖擊載荷
基于線性和二階衍射-輻射分析的數(shù)值模型通過模型試驗數(shù)據(jù)進行了驗證，涵蓋了固定結(jié)構(gòu)和浮動結(jié)構(gòu)的多種情況。通過系統(tǒng)性調(diào)整波浪陡度，發(fā)現(xiàn)了顯著的高階效應。波浪沖擊甲板載荷采用類似于Kaplan方法的簡單公式建模，但考慮了大體積船體的放大效應。預測的載荷時間序列與模型試驗數(shù)據(jù)吻合良好。引入了使用商用流體體積法（Volume-of-Fluid）工具進行的初步CFD研究，獲得了有前景的結(jié)果，同時提出了未來改進的挑戰(zhàn)。
二、極端波浪與大體積平臺的相互作用
本文研究的問題如圖1示意圖。一個大型且陡峭的波浪由于船體結(jié)構(gòu)的水下部分而被放大，可能會撞擊甲板的底部。此情境涵蓋了多種事件類型，從沿立柱的薄水流上升、到立柱周圍的局部波浪放大，再到因平臺放大而導致的大波浪撞擊甲板的沖擊。
圖1. 示意圖
通常自由水面高度的建模需考慮線性和非線性效應，并結(jié)合模型試驗修正。為了說明這些問題，圖2呈現(xiàn)了模型試驗的快照，顯示了船體后部立柱處的波浪放大情況。
圖2. 多柱模型在陡峭波浪中測試的視頻
圖3展示了一個來自模型試驗的波浪沖擊甲板的事件。上圖為未受干擾和放大的波浪，中圖為甲板上的水平和垂直總載荷，下圖為中心前部位置的局部甲板沖擊力測量值。
圖3. 甲板內(nèi)波浪記錄，GBS模型試驗示例。
三、線性和二階波浪放大效應的有效性
以下將系統(tǒng)地調(diào)查在各種柱基結(jié)構(gòu)案例中，線性和二階數(shù)值自由表面波浪建模的有效性。
案例研究
這里包括四個不同的案例：
a. 一個圓形固定垂直柱
b. 四個圓形固定垂直柱
c. 帶有沉箱的三柱固定重力結(jié)構(gòu)（GBS）
d. 系泊半潛式平臺（浮動）
研究中的波浪條件包括各種規(guī)則和不規(guī)則波，其波周期和陡峭度都有所變化。
展開 航空航天系統(tǒng)工程-載荷和結(jié)構(gòu)
關(guān)注的領(lǐng)域之一是荷載和結(jié)構(gòu)。任何飛機系統(tǒng)，特別是那些有外部部件如操縱面的飛機系統(tǒng)，都會受到設計系統(tǒng)必須適應的許多外部和內(nèi)部載荷和應力源的影響。
載荷分析是一項巨大的任務，在飛機設計過程中跨越數(shù)年。然而，系統(tǒng)設計必須從初步信息開始。顯然，系統(tǒng)工程師必須在某種程度上說負載分析師的語言，并且能夠進行粗略的負載分析。
有些情況下，工程師在設計的第一次迭代中花了很多時間，卻因為忽略了一個基本的結(jié)構(gòu)原理或者根本不知道而被載荷分析師直接拒絕。本節(jié)的一個目的是盡量減少(如果不是完全消除)這種低效率。
更理想的是，認知工程師，如果他要真正認知，將對結(jié)構(gòu)原理有一個基本的理解。他將非常熟悉載荷分析，因此很有可能在設計中及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題。他將知道何時咨詢負載工程師，并在共同理解的背景下與他們溝通。因此，他的設計將很快獲得負載組的青睞，永遠不必從頭再來。
機體結(jié)構(gòu)的工程設計是一個涉及多個學科的過程。它的兩項主要活動是:
1.外部載荷分析
2.內(nèi)部載荷分析外部載荷分析屬于載荷組的范疇，是本節(jié)的主題。應力分析小組負責內(nèi)部載荷和機體結(jié)構(gòu)的詳細規(guī)范。
這里介紹以下內(nèi)容：
產(chǎn)生空氣動力載荷的力和壓力；
慣性載荷的基本知識和影響慣性載荷的參數(shù)(慣性載荷是加速質(zhì)量產(chǎn)生的力，作用方向與加速度矢量相反)；
摘要形式的負載組的工作；荷載組和其他工程組之間的接口。外部載荷是作用在機翼或垂直尾翼等結(jié)構(gòu)表面的空氣動力和慣性力。外部載荷分為兩大類:
空氣載荷:空氣動力，即升力和阻力，由氣流的動壓引起，它們是由于飛機以一定速度在空氣中運動而作用在機翼表面的壓力的結(jié)果。
慣性載荷:由重力和由飛機機動和大氣湍流產(chǎn)生的加速度引起的力。
圖1顯示了飛機在飛行中受到空氣動力和慣性力的作用。
展開 漸變振動載荷作用的多層多框架梁結(jié)構(gòu)仿真分析
在定義裝配步驟中設置默認，沒有特別需要注意的地方，設置分析步中應根據(jù)所要施加的載荷曲線來設置仿真時間（time period），這里因為在A點需要施加63秒的振動位移載荷，因此時間設為63。接下來通過載荷曲線實現(xiàn)位移加載，當然也可以通過力加載的方式實施，這里因為考慮到結(jié)果的收斂性，因此采用曲線方式施加。邊界條件定義是將多層框架最底層的四個節(jié)點設置固定即可。對于框架的網(wǎng)格劃分，設置網(wǎng)格大小為0.05，布置在結(jié)構(gòu)上的種子如圖5所示，之后劃分網(wǎng)格，模型由綠色變?yōu)榍嗌硎揪W(wǎng)格劃分完成。至此，該模型的前處理操作步驟完成，自上而下檢查模型設置，無誤后提交job manager求解。
圖2幾何模型
圖3梁結(jié)構(gòu)參數(shù)定義
圖4梁截面方向定義
圖5網(wǎng)格種子布置
5結(jié)果
在提交求解任務后，可以通過任務管理查看求解過程，應該注意一定要等到狀態(tài)欄中的變?yōu)閏ompleted才可點擊results查看結(jié)果，在任務運行（顯示running）中打開results時程序會報錯。本文可以查看模型整體在施加載荷后的變形情況和應力變化及在載荷點處的位移。力變化曲線，分別如圖6、7、8所示。
5.1多層多框架結(jié)構(gòu)的變形圖
圖6變形圖
圖7應力云圖
圖8節(jié)點力、位移隨時間變化的曲線
6展望
后續(xù)還可通過在不通節(jié)點處施加不同力載荷來觀察模型的變形情況以及滯回曲線，其結(jié)果都具有一定的相似性，不再贅述。
展開 隨機載荷作用下平臺結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測
摘要：海洋等工程結(jié)構(gòu)物在服役過程中的受載歷程是一個隨機過程。研究裂紋在譜載荷作用下的擴展規(guī)
律對可靠預報平臺等結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命具有十分重要的意義。提出了一個由應力比和裂紋尖端約束及塑性
區(qū)尺寸為主要參數(shù)計算裂紋張開比，來考查載荷相互作用下疲勞裂紋擴展壽命的計算模型。用該模型對幾
種譜載荷作用下疲勞實驗結(jié)果進行了預測，將預測結(jié)果與不考慮裂紋閉合的線性損傷模型及疲勞計算程序
FASTRAN 的預測結(jié)果進行了比較，表明本模型能較好地預測譜載荷作用下的疲勞裂紋擴展。
隨機載荷作用下平臺結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測.pdf
展開 【iSolver案例分享62】鋼結(jié)構(gòu)梁柱接頭的循環(huán)載荷模擬
第一個是《水下爆炸實驗常用結(jié)構(gòu)-簡化船體梁的模態(tài)計算與對比（Abaqus、文獻）》。這個案例主要考察iSolver在船舶模態(tài)計算中的便利性。結(jié)果顯示，iSolver內(nèi)置的虛擬流體質(zhì)量功能能夠非常方便地計算船舶的濕模態(tài)，無需對水域進行建模，結(jié)果比Abaqus更貼近實驗數(shù)據(jù)。
第二個案例是《薄壁板加固和內(nèi)置工字鋼梁的復合混凝土柱軸向壓縮模擬》。這個案例旨在評估iSolver在處理包含多材料、多零件復雜結(jié)構(gòu)中的力學計算表現(xiàn)。結(jié)果表明，在該案例中，iSolver在30個計算輸出上與Abaqus完全一致，顯示出其強大的計算能力。
對上述兩個案例感興趣的讀者可以在技術(shù)鄰網(wǎng)站上搜索標題以了解詳情。這兩個案例從不同角度考察了iSolver的能力，但在載荷的使用方面仍顯得相對簡單。在本案例中，我進一步使用循環(huán)載荷對鋼結(jié)構(gòu)梁柱接頭的變形行為進行模擬，并將結(jié)果與Abaqus進行對比，以評估iSolver在更復雜載荷下的計算能力。
1 模型介紹
循環(huán)載荷是指隨著時間推移反復對材料施加應力或應變，導致材料經(jīng)歷交替加載和卸載的過程。在循環(huán)載荷作用下，彈性變形在卸荷過程中會恢復，但不可逆的變形會保留下來，是研究材料疲勞和失效的關(guān)鍵因素。
如果結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件承受足夠振幅的周期性變化載荷，即使單個循環(huán)中的最大載荷遠小于導致屈服或斷裂所需的載荷，它也可能在一定次數(shù)的重復載荷后失效。
在本模型中，結(jié)構(gòu)被建模為二維殼零件。柱子的兩端采用固定的邊界條件，載荷施加到鋼梁的末端。
展開 
求助] 關(guān)于UG結(jié)構(gòu)分析施加載荷的問題！
在結(jié)構(gòu)分析模塊中，載荷的類型有沒有施加變量載荷的方法？
比如說，在水中，根據(jù)深度的增加，壓強是不斷增大的，與深度成正比，但是我翻遍了載荷類型，都沒辦法實現(xiàn)。
有高手能講講么？
我查了下ansys，好象就可以施加這種類型的載荷。
獎勵50分！
案例26：LMS Virtual.Lab 在結(jié)構(gòu)上施加壓力載荷
案例：在結(jié)構(gòu)上施加壓力載荷
在計算結(jié)構(gòu)強迫響應或者聲振耦合等時，有時需要施加壓力載荷，本案例對施加的方法進行了簡單的說明。
感謝阿偉（superxjw版主）在本人學習LMS Virtual.Lab過程中的幫助！
case26.pdf
論文精讀---基于SWT的風電機組整體結(jié)構(gòu)模態(tài)與動態(tài)載荷分析
文章利用LMS SWT 風電機組仿真軟件，對風電機組輪轂主軸與風電機組底盤進行超單元建模，其他部件進行參數(shù)化建模，研究3MW 風電機組整機的模態(tài)與關(guān)鍵部件動態(tài)載荷。 SWT 中提供的參數(shù)化模型庫集成了當前主流機型中的各個模塊以便用戶調(diào)用和選擇，由系統(tǒng)級建模分析與部件級建模分析兩部分組成，但是在建模方面，對于復雜的機械系統(tǒng)存在諸多不足之處，可通過Pro/E 創(chuàng)建高精度部件模型，通過STP 格式導入到部件級分析軟件SAMCEF 中，對其進行超單元建模，再將超單元模型通過S4WT 集成到整機模型中，從而實現(xiàn)整機一體化高精度模型。
基于SWT的風電機組整體結(jié)構(gòu)模態(tài)與動態(tài)載荷分析2015.pdf
展開 【CAE案例】地震載荷下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的行為研究
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