技術熱點 | 快速理解非線性分析

通過本次閱讀，您會了解線性和非線性分析之間的區別並發現使用一種類型的分析與使用其它類型的分析都是存在最優次數的，發現非線性分析可以幫助您避免在某個設計上花費過多的精力並打造更好的產品。

術語“剛度”定義了線性分析與非線性分析間的根本區別。剛度是零件或裝配體的特性，用於表征其對所施加載荷的反應。影響剛度的因素有很多：

01形狀:

工字形橫梁與槽形橫梁具有不同的剛度

02材料:

與相同尺寸的鋼製橫梁相比，鐵製橫梁的剛度較低

03零件支撐方式:

對於相同的橫梁，在隻有一端支撐時的剛度要比帶有兩端嵌入式支撐時的剛度低，彎曲程度更大

當結構在載荷的作用下發生變形時，由於上述一個或多個因素的影響，其剛度會發生變化。如果變形很大，則其形狀會發生變化。如果材料達到失效極限，則材料屬性將會變化。

另一方面，如果剛度變化足夠小，則可以假定在變形過程中形狀或材料屬性沒有任何變化。此假設是線性分析的基本原理。

這意味著，在整個變形過程中，所分析的模型將保持施加載荷前尚未變形時所具有的剛度。無論模型的變形程度如何、載荷是一次施加還是逐漸施加、對載荷的反抗應力有多大，模型都將保持最初的剛度。

了解不同類型的非線性行為

盡管剛度變化的過程對於各類非線性分析都相同，但非線性行為的來源可能不同。因此，按照造成非線性的主要來源對非線性分析進行分類是合理的。由於在很多問題中無法指出造成非線性行為的單一原因，因此某些分析可能必須解釋多種非線性類型。

一、幾何非線性

二、非線性材料

如果剛度的變化僅僅是由於材料屬性在操作條件下的變化造成，則該問題屬於材料非線性。假定條件為施加的載荷越大，應力越大，並且變形將與載荷的變化成比例。它還假定不會產生永久的變形，一旦載荷消失，模型將總是恢複到其原始形狀。

三、失去彈性穩定性（屈曲）

零件的剛度還會因所施加的載荷而變化。有時，根據載荷施加方式的不同，載荷會增加剛度（拉伸載荷）或減小剛度（壓縮載荷）。

四、接觸應力和非線性支撐

如果支撐條件（包括接觸條件）在應用工作載荷時發生變化，則需要采用非線性分析。

五、非線性動態分析

動態分析可解釋慣性效應、阻尼及與時間相關的載荷。跌落測試、發動機架的振動、氣囊彈出或碰撞模擬都需要采用動態分析。但是，應采用動態線性分析還是動態非線性分析？判斷準則與靜態分析完全相同。

如果模型剛度在施加載荷的條件下沒有發生明顯變化，則采用線性動態分析即可。振動的發動機架或音叉都是圍繞平衡點發生小的變形，因此可以采用線性動態分

總結

將常見分析問題的性質作為依據，來判斷是否要在工程師的 FEA 軟件中添加非線性分析功能。如果日常工作隻是偶爾需要非線性分析，則請求專業分析師的幫助或聘請顧問是比較好的辦法。如果所設計產品的性質導緻設計分析問題常常涉及較大的變形、薄膜效應、非線性材料、接觸應力、扭曲或非線性支撐，則應將非線性分析功能添加到供設計工程師使用的內部 FEA 軟件中。

在過去十年間，工程師已適應了將 FEA 作為設計工具使用。現在，FEA 軟件和計算機硬件條件已足夠成熟，將非線性分析加入到工程師的工具箱中。

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