有限元分析应变率作用
基于有限元分析的建筑结构设计
0 引言随着我国经济的高速发展，各种超大型建筑的数量越来越多，结构越来越复杂，对设计的可靠性和准确性提出了更高的要求。
为了提高建筑结构设计的合理性和经济性，梁弢[1]提出了通过技术优化的方式来提高建筑结构设计水平。
对于结构专业而言，依靠计算机来辅助提高设计水平则是一个不错的选择，其可以通过庞大的计算能力节省大量的时间，还能帮助设计师全面地分析问题。
有限元分析方法就是利用计算机进行结构分析的理论基础。
所谓有限元方法就是把一个比较复杂的结构构件离散化为多个简单的细小单元再求解的方法。
结构被离散为多个单元后，各个单元的物理量（位移、应力、应变等）就可以通过单元的几何关系和物理关系等建立起相应的方程，然后通过各个离散单元节点之间的相互关系可以将各个单元联系起来，依此将离散的多个单元整合起来就可以得到整个结构的位移、应力及应变分布，最后根据结构的边界条件，就可以对结构进行求解。
这个计算过程比较复杂，但是计算机庞大的计算能力可以帮助研究人员实现。
童亿力[2]等通过有限元分析探讨了配筋率、混凝土强度、纵筋屈服强度、是否设置柱帽和抗冲切钢筋等因素对板柱节点抗冲切承载力和破坏模式的影响，并总结了影响规律。
李浩[3]等通过有限元软件建立了全框支厚板转换多塔结构模型，并以此进行了七度罕遇地震弹塑性分析，并引入小波包信号能量损伤评估的方法对该结构体系在大震作用下的损伤发展进行了评估。
刘海杨[4]等使用ABAQUS 软件对变电站钢结构进行耐火性能模拟，对比分析了不同火灾场景下的结构温度分布、位移响应和耐火极限时间，最后研究了不同防火保护层厚度、不同工况下变电站钢结构的温度分布和耐火性能。
从以上可以看出，有限元分析方法已经在建筑结构设计与研究中有了广泛的应用，本文将在他们的基础上以有限元分析板柱结构受力特征以及验证车辆段盖板转换层可靠性两个案例具体介绍有限元的使用过程、优势及应用场景。
1 基于有限元分析板柱结构的受力特征图1所示为某地铁车辆段检修平台，可以看到该结构设计时通过中间拉梁，两边悬挑来实现结构功能。
数值分析在工程设计中有哪些重要用途
数值分析在工程设计中有哪些重要用途在当今的工程设计领域，数值分析已经成为了不可或缺的重要工具。
它为工程师们提供了精确、高效且可靠的方法来解决各种复杂的问题，从而推动了工程设计的不断创新和发展。
首先，数值分析在结构工程设计中发挥着关键作用。
当设计建筑物、桥梁、塔架等大型结构时，需要确保其在各种荷载条件下的安全性和稳定性。
通过数值分析方法，如有限元分析（FEA），可以模拟结构在不同载荷（如风载、地震荷载、自重等）作用下的应力、应变和位移分布。
工程师能够据此评估结构的强度和刚度是否满足设计要求，并对结构进行优化，以减少材料的使用量同时保证结构的性能。
例如，在设计一座桥梁时，利用数值分析可以精确地预测桥梁在车辆通行和自然灾害情况下的受力情况，从而确定合适的桥梁截面形状和材料配置，避免出现过度设计或设计不足的情况。
在流体力学领域，数值分析同样具有重要意义。
对于航空航天工程中的飞行器外形设计、汽车工程中的空气动力学性能优化以及水利工程中的水流和波浪模拟等，数值分析都能够提供有价值的信息。
计算流体动力学（CFD）是一种常见的数值分析方法，它可以模拟流体的流动状态、压力分布和速度场等。
工程师们借助 CFD 可以优化飞行器的外形以减少阻力、提高升力，或者设计更高效的水轮机叶片以提高水能利用效率。
比如在设计新型飞机机翼时，通过数值模拟可以分析不同翼型在不同飞行速度和姿态下的空气动力学性能，从而找到最优的设计方案。
在热传递问题的研究中，数值分析也展现出了巨大的优势。
在电子设备的散热设计、能源系统中的热交换器设计以及工业炉的温度控制等方面，准确了解热量的传递和分布至关重要。
通过数值分析方法，如有限差分法和有限体积法，可以模拟热传导、对流和辐射等传热过程。
这有助于工程师优化散热结构，选择合适的冷却介质，确保设备在正常工作温度范围内运行，延长其使用寿命并提高可靠性。
以电脑芯片的散热设计为例，数值分析可以帮助确定最佳的散热器形状和风扇布局，以有效地将芯片产生的热量散发出去。
abaqus积分点的应变变化率
Abaqus是一款常用的有限元分析软件，广泛应用于工程领域，其中包括结构分析、动力学分析、传热分析等。
在使用Abaqus进行有限元分析时，经常会涉及到对积分点的应变变化率的计算。
积分点的应变变化率反映了在有限元模型中各个积分点处的应变随时间的变化情况，对于动态加载条件下构件的变形和破坏行为有着重要的意义。
了解积分点的应变变化率的计算方法对于工程实践具有重要的意义。
1. 积分点的应变变化率的概念积分点的应变变化率是指在有限元分析中，对于每个积分点处的应变随时间的变化率。
在动态加载条件下，构件的应变会随时间不断变化，而积分点的应变变化率可以帮助工程师更准确地了解构件的变形情况以及破坏行为，为工程设计和分析提供有力的依据。
2. Abaqus中积分点的应变变化率的计算方法在Abaqus中，可以通过后处理模块中的相关工具来实现对积分点的应变变化率的计算。
具体方法如下：1) 在Abaqus后处理模块中，选择要进行积分点应变变化率计算的模型；2) 选择相应的输出变量，包括应变、应力、位移等；3) 设置相应的输出频率，以便将结果数据保存为时间序列；4) 导出结果数据，并使用相关软件对积分点的应变变化率进行计算。
3. 积分点应变变化率的工程意义积分点的应变变化率可以帮助工程师更准确地了解构件在动态加载条件下的变形情况。
通过对积分点应变变化率的分析，工程师可以判断构件是否存在异常变形、裂纹扩展等情况，为工程实践中的结构设计、材料选择、构件连接方式等提供有力的依据。
4. Abaqus中积分点应变变化率计算的应用案例以某桥梁结构受动载荷作用为例，使用Abaqus进行有限元分析，计算得到积分点的应变变化率。
通过对积分点应变变化率的分析，工程师发现在桥梁的特定部位存在异常的应变速率变化，经进一步分析发现该部位存在结构疲劳裂纹，经过修复处理，最终提高了桥梁的安全性和可靠性。
5. 结语在工程实践中，了解和掌握Abaqus中积分点的应变变化率的计算方法对于进行有限元分析具有重要的意义。
机械设计中有限元分析的几个关键问题
Internal Combustion Engine &Parts0引言随着科学技术的发展，人们在机械设计中不断地应用更加精密的设备，在设计的过程中，就需要相关的设计人员能够预测出产品的性能、强度、寿命等，并且正确引入相关技术参数来进行精确的计算。
近些年来，随着我国计算机技术的发展以及数据分析相关技术的发展，为相关的计算提供了有效的方法与手段。
将有限元应用力分析应用到机械体结构上，能够充分计算外部的荷载量，以及所引发的应力应变、强度、耐久度的分析，从而能够有效地提高零件的质量，减少零件材料的成本。
有限元分析的结果与软件、建模等有关，在分析过程中，处理方式不当可能造成结果的差异，所以不能过度迷信有限元软件的结果，需要根据具体的情况具体分析。
1有限元分析的概述有限元分析方法作为一种数据处理分析的方法，是近些年来新引进入我国的一种数据分析的方式，其英文名字为FEM 。
它主要是运用数学的计算方法，模拟出物体真实的几何形状，以及负荷量状况，能够将无限的未知量展示出来，这种复杂的计算方法能比其他的代数方法更加准确[1]。
有限元方法是在计算机技术和数值分析方法的基础上发展起来的。
作为一种有效的手段，有限元分析应用在应力分析等领域中，对于机体机构上的外部荷载引起的应力应变以及耐久性、损伤容限、强度等均可以采用试验的方式进行。
有限元分析的过程会发生结果的差异，这与使用的软件和建模过程有关系，在设计中对于软件结果不能迷信，而是要谨慎对待处理方式不通带来的结果差异。
对于具体问题应根据模型试验验证判断结果而来，方能确定有限元结果正确性。
2有限元分析的注意事项工程人员对于有限元分析的精确度和正确性较为关注。
这是因为有限元结果的正确性关系到工程实际的运行。
凭借问题处理经验和有限元理论分析结果，对于有限元分析的注意问题可以归纳如下：①对于有限元分析方法的运用，注意有限元分析方法的流程，加强对有限元结果的认识。
离散网络密度、形函数构造、单元类型、边界条件处理都会产生对结果的影响。
材料力学中的有限元方法分析
材料力学中的有限元方法分析材料力学是研究物质初始状态至最终破坏状态之间的力学行为及其规律的科学。
有限元分析是一种数值计算方法，可以求解各种工程问题的数学模型。
有限元方法在材料力学研究中有着重要的应用，本文将从有限元方法的基本原理、材料力学中的有限元分析、有限元模拟在材料力学中的应用等方面进行分析。
一、有限元方法的基本原理有限元方法是一种通过建立复杂结构的有限元模型，将一个复杂的连续问题转化为离散问题来求解的方法。
其基本思想是将一个连续物体分割成很多小的单元，使用一些简单的解析方法求解每个小单元内的力学问题，然后将所有小单元的解组合在一起来求解整体力学问题。
有限元方法求解的过程分为以下基本步骤：1.建立有限元模型2.离散化3.施加约束4.建立刚度矩阵和荷载向量5.求解未知量二、材料力学中的有限元分析材料力学中的有限元分析是指通过有限元方法对材料力学问题进行分析、计算和评估的方法。
材料力学问题中的目标是通过施加荷载或外界力，来得到物体内部的应力和应变状态，以及其随时间和载荷变化的规律。
在建立材料力学有限元模型时，需要考虑以下因素：1.应力集中和应变集中的位置和程度2.物理边界和几何结构3.材料的力学性质和力学参数材料力学中的有限元分析包含以下几个方面：1.静态分析：研究物体在静态等效荷载下的应力状态，计算物体的静态变形。
2.动态分析：研究物体在动态载荷下的应力和应变状态，计算物体的动力响应。
3.疲劳分析：研究物体在周期性载荷下的损伤状态、损伤机理和寿命预估。
4.热力耦合分析：研究物体在温度场和应力场的共同作用下的应力和应变状态。
5.多物理场分析：研究物体在电、磁、声、液、气、红外、光、辐射等多个物理场的共同作用下的应力和应变状态。
三、有限元模拟在材料力学中的应用有限元模拟在材料力学中的应用范围非常广泛，包括了以下几个方面：1.材料的结构设计和分析2.材料的性质和参数的测试和评估3.材料的制造和加工工艺的模拟4.材料的破坏和损伤机理的研究5.材料的寿命评估和振动疲劳分析最终，有限元分析的结果可以在材料设计、材料优化和制造流程等方面提供准确的数据支持，帮助人们更好地理解材料的力学行为和性质，促进材料科学的发展。
有限元分析基础知识
有限元分析基础知识目录1. 有限元分析概述 (2)1.1 有限元分析的概念 (3)1.2 有限元分析的应用领域 (3)1.3 有限元分析的优点与局限性 (5)2. 有限元分析的基本步骤 (6)3. 有限元方法的核心要素 (6)3.1 基函数与形状函数 (8)3.2 位移离散化 (9)3.3 本构关系与刚度矩阵 (11)3.4 载荷矩阵与边界条件 (12)4. 有限元分析的软件工具 (13)4.1 常见的有限元分析软件 (14)4.2 软件的基本操作界面 (16)4.3 用户界面与数学建模 (17)5. 有限元分析的验证与应用 (19)5.1 有限元分析的验证方法 (21)5.2 有限元分析在结构工程中的应用 (21)5.3 有限元分析在其他工程领域的应用 (23)6. 有限元分析的实际案例分析 (24)6.1 简化的结构分析案例 (26)6.2 复杂的结构分析案例 (27)6.3 特殊情况下的有限元分析案例 (28)7. 有限元分析的优化与数值模拟 (30)7.1 有限元固有频率分析 (32)7.2 疲劳寿命模拟分析 (33)7.3 有限元分析在优化设计中的应用 (34)8. 有限元分析的国际标准与规范 (35)8.1 ANSYS、ABAQUS等软件的标准 (37)8.2 国际有限元分析协议与规范 (38)9. 有限元分析的发展趋势 (39)9.1 高性能计算与有限元分析 (40)9.2 云计算环境下的有限元分析 (42)9.3 人工智能在有限元分析中的应用 (43)1. 有限元分析概述有限元分析基于基本的几何和物理原理，如刚体变形、弹性力学或断裂力学等，适用于静态、动态、线性或非线性分析。
它广泛应用于各种工程领域，包括土木工程、机械工程、航空航天和汽车工程等，帮助工程师们预测和优化设计，确保结构安全、可靠，并进行成本效益的设计改进。
的核心优势在于其能够处理复杂的几何形状和边界条件，而不会因为计算复杂性而变得不可行。
机械设计中有限元分析的几个关键问题
机械设计中有限元分析的几个关键问题有限元分析是机械设计中非常重要的技术手段之一，它通过数值计算的方法来模拟和评估物体在作用力下的应变、变形和应力等特性。
在进行有限元分析时，有一些关键问题需要考虑和解决，下面将详细介绍这几个问题。
1. 网格生成网格生成是有限元分析的第一步，它将连续的物体转化为离散的有限元网格。
网格的质量直接影响到分析结果的准确性和可靠性。
在进行网格生成时，需要保证网格的单元形状和尺寸比例适当，避免单元过于扭曲或者尺寸差异过大。
还需要考虑物体的几何特征和实际应力情况，合理地选择不同类型的单元，如三角形单元、四边形单元或六面体单元等。
2. 材料特性在进行有限元分析时，必须准确地定义材料的特性参数，如弹性模量、屈服强度、泊松比等。
这些参数会直接影响到分析结果的准确性。
在选择材料模型和确定参数时，需要进行充分的材料试验和数据分析。
还需要考虑材料的非线性特性，如塑性变形、屈服和断裂等，以便更准确地模拟实际工作条件下的物体行为。
3. 边界条件和加载在有限元分析中，需要合理地设置边界条件和加载，以模拟实际工作条件下的物体行为。
边界条件指的是物体上的约束条件，如固定支撑、应力加载或位移加载等。
加载情况指的是物体在作用力下的响应情况。
在设置边界条件和加载时，需要根据实际情况考虑物体的几何形状、约束和力的大小、方向等因素，以尽可能真实地模拟实际工作条件下的物体行为。
4. 网格收敛性检验在进行有限元分析时，需要进行网格收敛性检验，以验证分析结果的准确性和可靠性。
网格收敛性指的是在网格逐渐细化的过程中，分析结果是否趋于稳定。
一般来说，当网格收敛时，分析结果应该收敛于一个稳定的解。
需要通过逐步细化网格来进行比较分析结果，以确保分析结果的准确性。
5. 结果解释和验证在进行有限元分析后，需要对分析结果进行解释和验证。
解释结果指的是将分析结果转化为实际工程问题的答案，以便为设计决策提供依据。
验证结果指的是将分析结果与实验结果进行比较，以验证分析模型和参数的准确性和可靠性。
失效本构模型,有限元分析
Dcrit 取值越小，材料越早破坏，如下图：
在失效中的参数n将影响破坏的进程，n=1时是线性变化，而当n>1时破坏进程是快速的曲线变化的，n<1时破坏 进程是缓慢的曲线变化的。
材料的不稳定性(分散性失稳Diffuse Necking)
在拉伸试验中，当材料到达颈缩点后进入软化阶段。这个阶段材料会进入分散性失稳状态（下图左），对于金属薄板，当继
比如在单轴拉伸（ * 1 ）实验中: 3
如果不考虑材料的失稳，那么仅仅使用Table1_ID输入下图中的红色曲线，当材料中的应变超过红色曲线，材料失
效。
如果考虑材料的失稳，那么不仅需要Table1_ID输入下图中的红色破坏曲线，还需要Table2_ID输入下图中的蓝色失
稳曲线，那么此时:
➢ 材料破坏可以发生在应变超过蓝色失稳曲线时，虽然可能还没有超过红色破坏曲线，由于材料的失稳，材料可能 在超过蓝色失稳曲线时就破坏了。
0.1000
0.1789
0.2000
0.1693
0.3000
000
0.1539
0.5000
0.1478
0.6000
0.1425
0.7000
0.1380
支持应变率
材料的破坏曲线有时还与应变率有关，/FAIL/TAB1可以在破坏曲线上考虑应变率的影响。这个应变率也是定义在 /TABLE 中。下面是一个关于如何如何使用/TABLE考虑应变率。
在RADIOSS中这个单元网格的缩放因子如下考虑：
factorel
Fscaleel
fel
Sizeel El _ ref
,
这里 fel
Sizeel El _ ref
是关于单元大小的比例系数的曲线（破坏应变-相对单元大小的曲线），用户可以在
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缓冲结构惯性、应变率效应
Inertia and strain rate effect on the dynamic response of multi-layered cushioning structure
两个动态原理
力传感器 试样
入射杆
算例
激光传 感器
保险梁
飞轮
枢轴连接
试样
杠杆
气压千斤顶
保险梁
2
y
t 2
1
1
1
2
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0
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h1
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平均应变： s
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动态平衡：
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0 Rd
s
EA A0
T
邱信明,清华大学 教授，博士生导师
目前研究方向侧重于轻质结构的力学性能研究，结构的动态响应， 非线性断裂力学的理论分析和数值模拟仿真。
u1 f (x c0t) g(x c0t)
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V
图3 应力-应变曲线(m=5,V=3)
图4 应力-应变曲线(m=2,V=5)
Saint-Michel F, Chazeau L., Cavaille J.-Y, et al. Mechanical properties of high density polyurethane foams:I. Effect of the density[J]. Composite Science and.Technology,2006,66: 2700–2708.
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2
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Q dx xdm=ρ1Adx与Qf1
(
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A
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1 1 y
(1
y )dx x
x
f1(ε)=a1ε+tan(a2ε),f2(ε)=b1tanh(b2ε)+b3tan(b4ε), a1=0.1 MPa, a2=0.01 MPa, a3=1.91 rad, b1=0.08 MPa, b2=23 rad, b3=0.005 MPa, b4=2.2 rad,m=5 kg, h1=0.035 m,h2=0.015 m.
应变片测量仪
示波器
数据采集
压力室
应变片
投射杆
冲击杆 冲击杆
x(t) V0
x(t)dt
0
x(t) 0 x(t)dt
(t) mx(t) / A
(t) x(t)
h
设质点位移:
ui f (x c0t) uR g(x c0t) uT h(x c0t)