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常用CAE分析类型

冒小萍

审校：顾伯达

适用版本：所有CAE软件

CAE分析时根据结构实际工况准确判断分析类型至关重要，根据

分析类型我们决定采用何种分析软件进展分析求解更合理。如果分析

类型判断不准确，或者由于软件功能限制不能完成某种分析类型而做

过多的简化，分析的结果是不可靠的，对实际工程项目没有多少参考

价值。目前我们常用的结构分析类型主要有以下几种：

1．线性结构静力分析

结构线性静力分析是结构设计与强度校核的根底，主要是

计算在固定不变的载荷作用下〔包含由定常加速度引起的平衡

惯性载荷〕结构的响应〔位移、应力、应变和力〕，不考虑惯性

和阻尼的影响；固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载

荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

结构线性静力分析中，假定结构中的工作应力小于结构材

料的屈服应力，因此应力应变关系服从虎克定理，具有线性关

系．同时结构的变形〔位移〕相对结构的总体尺寸来说，又是

很小的，所以问题可以用线性方程计算．从应用的角度看，多

数情况下，结构的线性分析是评估很多结构设计问题的最有效

的方法．

2．模态分析

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结构的模态分析是结构动力分析的根底。模态也就是结构

产生自由振动时的振动形态，也称为振型．每一个自由振动的

固有频率都对应一个振型，一般说系统有多少自由度就有多少

个固有频率。实际的分析对象是连续体，具有无限多的自由度，

所以其模态具有无穷阶，要求用弹性动力学的偏微分方程解决，

因为实际结构的复杂性，一般无法得到封闭解，通常都是用近

似的方法来求解．有限单元法就是一种常用的近似方法，可以

比拟正确的计算出足够多的结构振动模态．有限元中模态分析

的本质是求方程的特征值问题，所分析的结构振动模态的“阶

数〞就是指要求的对应数学方程的特征值的个数。将特征值从

小到大排列就是阶次。

模态分析的目标是确定系统的模态参数，即系统的各阶固

有频率和振型，为结构系统的动力特性分析和优化设计提供依

据。

屈曲分析

在通常的结构分析中，结构处于一个稳定平衡的状态。但

是有一些承受较大压应力的细薄结构，例如细长的受压杆，受

到较大水压的深海容器等，当它们所受到的压应力到达某个临

界值时，原来的平衡状态就会变得不稳定，受压的直杆会因为

失去稳定性而变弯曲，受到高水压的容器会因为失稳而压瘪．屈

曲分析就是一种用于确定结构失去稳定性的临界载荷和屈曲模

态形状的技术。广泛应用于细薄结构的设计分析中．

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3．非线性结构分析

固体力学从本质上讲是非线性的，线性假设是实际问题的

一种简化，在分析线弹性体系时，假设节点位移无限小，材料

的应力和应变关系满足虎克定律，加载时边界条件保持不变，

假设不满足上述条件之一就会形成非线性问题；

结构非线性问题主要有：

1）几何非线性：如果结构的变形比拟大，使应力和应变之

间不能再用线性关系来表示，很大的位移也可能使外力之

间的平衡关系改变，以致不能继续采用线性分析，这种非

线性问题称为几何非线性，比方大位移小应变，大位移大

应变。

2）材料非线性：由于载荷过大等因素的影响，当结构中的

应力到达或超过材料的屈服应力时，材料的应力应变关系

不再符合虎克定律，也可能一些材料的应力应变关系本来