曾聽(tīng)一位鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的老前輩說(shuō)過(guò)這么一句話:假如沒(méi)有失穩(wěn)現(xiàn)象,鋼結(jié)構(gòu)的世界將變得索然無(wú)味。
誠(chéng)然,假如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)需考慮穩(wěn)定問(wèn)題,那么鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作將會(huì)變的多么簡(jiǎn)單枯燥,畢竟,各向同性的鋼材特性致使鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算是那么的簡(jiǎn)單。
何為失穩(wěn)現(xiàn)象
與“失穩(wěn)”(Instability)對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)詞叫“屈曲”(Buckling),這兩者之間是現(xiàn)象與本質(zhì)的關(guān)系,“失穩(wěn)”是現(xiàn)象,而“屈曲”是本質(zhì)。
與“屈曲”類似的另外一個(gè)詞叫“屈服”(Yield),這兩者之間雖僅是一字之差,但意義確實(shí)大相徑庭?!扒斌w現(xiàn)的是幾何問(wèn)題,而“屈服”則是材料問(wèn)題的一個(gè)表現(xiàn)。
躍越失穩(wěn)
在諸多復(fù)雜的失穩(wěn)現(xiàn)象里,有一種特殊的失穩(wěn)類型叫“躍越失穩(wěn)”。雖不確定當(dāng)年的老前輩為何將其命名為“躍越”兩字,但細(xì)想起來(lái),這兩字用的是何其準(zhǔn)確?!败S”體現(xiàn)了失穩(wěn)過(guò)程的動(dòng)態(tài),也描述了通過(guò)第一個(gè)極限狀態(tài)后快速進(jìn)入第二個(gè)狀態(tài)的事實(shí);“越”說(shuō)明了第二個(gè)階段上升的空間將可能大于第一個(gè)階段。“躍越失穩(wěn)”的英語(yǔ)表達(dá)也是很形象:Snap-through Buckling。
躍越失穩(wěn)幾乎是扁平拱結(jié)構(gòu)特有的面內(nèi)失穩(wěn)形式,類似的還有扁平的殼體。在豎向力作用下,此類結(jié)構(gòu)的承載力先是有一段穩(wěn)定的上升,當(dāng)?shù)竭_(dá)極限點(diǎn)A后,結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,其承載力快速下降,一直到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形達(dá)到一定程度(達(dá)到B點(diǎn))后,結(jié)構(gòu)進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),承載力將再次上升(到達(dá)并超過(guò)C點(diǎn))。
躍越失穩(wěn)的經(jīng)典解析
早在1964年,英國(guó)布里斯托大學(xué)的F.W.Williams首次在彈性穩(wěn)定數(shù)值推導(dǎo)中考慮了彎曲變形的影響,并對(duì)完整失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行了準(zhǔn)確的解析求解。
從1964年至今的半個(gè)多世紀(jì)內(nèi),Williams的這條躍越失穩(wěn)曲線已經(jīng)成為經(jīng)典。
NIDA對(duì)躍越失穩(wěn)的計(jì)算
作為一款出色的非線性計(jì)算軟件,NIDA自然不會(huì)放過(guò)與Williams解析結(jié)論比較的機(jī)會(huì)。
在NIDA中建立本算例的有限元模型顯得尤為簡(jiǎn)單,因?yàn)镹IDA軟件采用了由香港理工大學(xué)陳紹禮教授科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的PEP梁?jiǎn)卧軐?shí)現(xiàn)一桿一單元的高效計(jì)算。
ANSYS是工程領(lǐng)域內(nèi)另一款赫赫有名的有限分析軟件,也可以用于分析這種躍越屈曲非線性問(wèn)題,但由于ANSYS梁?jiǎn)卧捎玫氖莻鹘y(tǒng)的梁?jiǎn)卧魏瘮?shù),為了模擬非線性問(wèn)題,只能將一根桿件劃分為若干單元,因此,計(jì)算效率會(huì)相對(duì)低一些.
薄殼躍越失穩(wěn)
與拱結(jié)構(gòu)類似,薄殼結(jié)構(gòu)的躍越失穩(wěn)同樣非常普遍。如下算例:
扁平圓柱殼,兩直邊鉸接而兩曲邊自由。幾何尺寸為R=2540mm,L=B=508mm;物理參數(shù)為E=20500N/mm2,殼體厚度為11mm。
總結(jié)
隨著計(jì)算工具的飛速發(fā)展,工程師對(duì)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象的精確模擬已不再是一種空想。NIDA作為一款先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)軟件,能夠協(xié)助結(jié)構(gòu)工程師掌握復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)本質(zhì),為精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)保障。
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