论文部分内容阅读
摘要：介绍了ABAQUS中薄壁构件轴压非线性屈曲分析的一种方式及其中需要注意的相关要点，重点阐述了如何将参考点与端面耦合以及初始缺陷的添加。并通过计算实例证明这种方法的便捷性及可靠性。
关键词：数值模拟;薄壁构件;非线性屈曲;初始缺陷
引言
ABAQUS是一款功能强大且被广泛使用的有限元软件，其针对复杂结构及非线性问题的计算能力出众，因此可以使用ABAQUS计算薄壁构件的非线性屈曲问题[1]。而非线性屈曲计算中的操作及参数设置并没有相对统一的标准。分析ABAQUS中非线性屈曲的相关要点，对于后续的非线性屈曲模拟具有一定的借鉴及指导作用。
1 建模及线性屈曲
ABAQUS数值模拟时，如果结构一个方向的尺度远小于其他方向的尺度，可以应用壳单元进行建模。因此薄壁构件建模时构件的基本特征应设置为壳，壳单元的应用更有利于网格划分及保证计算精确度。材料属性设置弹性及塑性，值得引起注意的是，ABAQUS中金属塑性及铸铁塑性的屈服准则是有区别的。金属塑性符合Mises屈服准则的各项同性及Hill准则的各向异性。而铸铁塑性中拉伸符合Rankine屈服准则，压缩符合Mises准则，在薄壁型钢的轴压屈曲分析中一般常用金属塑性进行塑性设置。
为了确保构件轴压的模拟效果，通常可以在构件端面的形心点设置参考点，将参考点与构件端面进行耦合。设置耦合点不仅可以确保构件受压方式为轴压，还可以简化边界条件的设置，只需要在耦合点处添加边界条件与荷载即可模拟试验条件，同时也便于非线性屈曲分析时输出构件承载力及位移等其他数据。
ABAQUS中的非线性计算需要添加初始缺陷，而初始缺陷的添加需要以线性屈曲的节点位移为基础，因此在非线性计算之前必须进行线性屈曲计算。线性屈曲计算采用BUCKLE分析步，通过修改模型inp文件（即修改模型关键字）的方式导出节点位移文件。具体操作方式是在模型关键字末尾添加以下字符（插入位置在*end step上一行）：
*node file，
u，
完成上述操作后提交计算，即可得到构件的线性屈曲承载力并导出线性屈曲的节点位移文件，为非线性计算提供添加初始缺陷的基础。
2 非线性屈曲
非线性屈曲计算分析步采用静力弧长法（静力，riks）分析步进行计算，可以有效避免计算不收敛情况的出现，同时计算耗时较短。
非线性屈曲计算时需要适当修改施加在构件上的荷载。施加的荷载过大容易导致计算不收敛，而荷载过小时计算耗时会明显增加。根据经验，一般设置构件的荷载为线性屈曲分析得到的构件一阶线性屈曲承载力。
通过修改模型关键字的方式为构件添加初始缺陷，具体操作方式为：删除关键字中在线性屈曲分析步中添加的关键字，并在关键字中添加以下字符（插入位置在*STEP：Step-1上方）：
*imperfection，file=BUCKLE，step=1
1，0.001
2，0.001
上述字符中，“imperfection”代表初始缺陷，“FILE=”后面的是线性屈曲计算的文件名，“1，0.001”為对应的模态及初始缺陷值。在ABAQUS中不同的屈曲模态的初始缺陷是可以线性叠加的。
上述非线性屈曲分析的要点能够在保证非线性屈曲分析结果可靠性的同时简化部分操作步骤，并且能够有效避免计算不收敛情况的出现。
3 计算实例
基于陈满泰[2]及Ben Young[3]的试验进行有限元模拟，模拟采用的边界条件、构件尺寸与试验保持一致。通过图1及表1的对比可得：（1）数值模拟与试验的构件屈曲失效模式一致，构件中下部均发生O-O（out-out）形式的畸变屈曲，腹板及翼缘均发生局部屈曲;（2）数值模拟与试验的极限承载力差值均在10%以内。
参考文献
[1]姚永红，徐海军. 开孔H型高强铝合金柱轴压性能研究[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会.中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届（ISSF-2020）学术交流会暨教学研讨会论文集[C].中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会：工业建筑杂志社，2020：5.
[2]Man-Tai Chen， et al.”Experimental investigation on cold-formed steel stiffened lipped channel columns undergoing local-distortional interaction.”Thin-Walled Structures 150.（2020）：. doi：10.1016/j.tws.2020.106682.
[3]Ben Young，M.ASCE;Nuno Silvestre.（2013）.”Cold-Formed Steel Lipped Channel Columns Influenced by Local-Distortional Interaction： Strength and DSM Design.”J.Struct.Eng.，2013，139，（6）：1059-1074.
安徽理工大学土木建筑学院 淮南 安徽 232001
关键词：数值模拟;薄壁构件;非线性屈曲;初始缺陷
引言
ABAQUS是一款功能强大且被广泛使用的有限元软件，其针对复杂结构及非线性问题的计算能力出众，因此可以使用ABAQUS计算薄壁构件的非线性屈曲问题[1]。而非线性屈曲计算中的操作及参数设置并没有相对统一的标准。分析ABAQUS中非线性屈曲的相关要点，对于后续的非线性屈曲模拟具有一定的借鉴及指导作用。
1 建模及线性屈曲
ABAQUS数值模拟时，如果结构一个方向的尺度远小于其他方向的尺度，可以应用壳单元进行建模。因此薄壁构件建模时构件的基本特征应设置为壳，壳单元的应用更有利于网格划分及保证计算精确度。材料属性设置弹性及塑性，值得引起注意的是，ABAQUS中金属塑性及铸铁塑性的屈服准则是有区别的。金属塑性符合Mises屈服准则的各项同性及Hill准则的各向异性。而铸铁塑性中拉伸符合Rankine屈服准则，压缩符合Mises准则，在薄壁型钢的轴压屈曲分析中一般常用金属塑性进行塑性设置。
为了确保构件轴压的模拟效果，通常可以在构件端面的形心点设置参考点，将参考点与构件端面进行耦合。设置耦合点不仅可以确保构件受压方式为轴压，还可以简化边界条件的设置，只需要在耦合点处添加边界条件与荷载即可模拟试验条件，同时也便于非线性屈曲分析时输出构件承载力及位移等其他数据。
ABAQUS中的非线性计算需要添加初始缺陷，而初始缺陷的添加需要以线性屈曲的节点位移为基础，因此在非线性计算之前必须进行线性屈曲计算。线性屈曲计算采用BUCKLE分析步，通过修改模型inp文件（即修改模型关键字）的方式导出节点位移文件。具体操作方式是在模型关键字末尾添加以下字符（插入位置在*end step上一行）：
*node file，
u，
完成上述操作后提交计算，即可得到构件的线性屈曲承载力并导出线性屈曲的节点位移文件，为非线性计算提供添加初始缺陷的基础。
2 非线性屈曲
非线性屈曲计算分析步采用静力弧长法（静力，riks）分析步进行计算，可以有效避免计算不收敛情况的出现，同时计算耗时较短。
非线性屈曲计算时需要适当修改施加在构件上的荷载。施加的荷载过大容易导致计算不收敛，而荷载过小时计算耗时会明显增加。根据经验，一般设置构件的荷载为线性屈曲分析得到的构件一阶线性屈曲承载力。
通过修改模型关键字的方式为构件添加初始缺陷，具体操作方式为：删除关键字中在线性屈曲分析步中添加的关键字，并在关键字中添加以下字符（插入位置在*STEP：Step-1上方）：
*imperfection，file=BUCKLE，step=1
1，0.001
2，0.001
上述字符中，“imperfection”代表初始缺陷，“FILE=”后面的是线性屈曲计算的文件名，“1，0.001”為对应的模态及初始缺陷值。在ABAQUS中不同的屈曲模态的初始缺陷是可以线性叠加的。
上述非线性屈曲分析的要点能够在保证非线性屈曲分析结果可靠性的同时简化部分操作步骤，并且能够有效避免计算不收敛情况的出现。
3 计算实例
基于陈满泰[2]及Ben Young[3]的试验进行有限元模拟，模拟采用的边界条件、构件尺寸与试验保持一致。通过图1及表1的对比可得：（1）数值模拟与试验的构件屈曲失效模式一致，构件中下部均发生O-O（out-out）形式的畸变屈曲，腹板及翼缘均发生局部屈曲;（2）数值模拟与试验的极限承载力差值均在10%以内。
参考文献
[1]姚永红，徐海军. 开孔H型高强铝合金柱轴压性能研究[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会.中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届（ISSF-2020）学术交流会暨教学研讨会论文集[C].中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会：工业建筑杂志社，2020：5.
[2]Man-Tai Chen， et al.”Experimental investigation on cold-formed steel stiffened lipped channel columns undergoing local-distortional interaction.”Thin-Walled Structures 150.（2020）：. doi：10.1016/j.tws.2020.106682.
[3]Ben Young，M.ASCE;Nuno Silvestre.（2013）.”Cold-Formed Steel Lipped Channel Columns Influenced by Local-Distortional Interaction： Strength and DSM Design.”J.Struct.Eng.，2013，139，（6）：1059-1074.
安徽理工大学土木建筑学院 淮南 安徽 232001