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线性静态和非线性有限元分析有一个重大区别。在线性分析中,我们经常使用工程应力-应变的定义,而在非线性分析通常是真实应力-应变。关于应力/应变关系,下面的网页有很好的总结:
通过一个简单的一维的例子中,我们将研究这些不同的应力应变的定义。
1)工程应变和工程应力
工程应变是小应变度量方法,使用初始的几何数据计算。工程应变的计算是线性的,因为它取决于已知的初始几何(例如长度)。工程应变仅限于小转角,因为刚体的转动会引起非零的应变。
工程应力(σ)是与工程应变(ε)相结合的应力测量方法。它使用当前的截面力F和初始的截面积A0来计算。
2)对数应变和真实应力
对数应变/自然应变/真实应变是度量大应变的方法,计算公式如下:
它是非线性应变的度量,因此是关于最终长度的非线性函数。与线性应变相比,对数应变(或真实应变)是可加的。考虑一个初始长度为1m的杆经过下面3步的变形:
第1步: 从1m 变形至1.2m
第2步:从1.2m 变形至1.5m
第3步:从1.5m变形至2m
在下表中我们比较了工程应变和真实应变。可以清楚地看到,只有真实应变是可加的,因此在非线性分析中应该使用真实应变。
真实应力的计算与根据对数应变计算1-D应变类似,用F除以当前(变形后)的面积。这种应力通常也称为柯西应力。
3) Green-Lagrange应变和第二类Piola-Kirchoff应力
Green-Lagrange应变是另一种大应变度量方法,一维情况由下式计算:
由于它由更新后的长度L(未知的)的平方来决定,因此它是非线性的。这种方法相比对数应变或Hencky应变在计算上的优势是它自适应任意大应变问题中的大转角。Green-Lagrange应变对应的应力是第二类Piola-Kirchoff应力,对于一维问题计算公式如下:
可以看出这个应变没有太多的物理意义。
(内容、图片来源:Altair官方文件)
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