系列：塑料产品设计 CAE 分析基础
第 10 部分 结构分析的类型和所需的材料数据
在第10至12部分中，我们将介绍结构分析，以验证结构设计是否具有足够的强度和耐久性。
在这一部分中，我们将详细分析结构分析的类型，所需的数据以及注意事项。
内容
| 1. 什么是结构分析？ |
| 2.结构分析的类型（线性结构分析、非线性结构分析） |
| 3. 应用结构分析（动态分析、热应力分析） |
| 4. 总结 |
什么是结构分析？
CAE结构分析（应力分析）是为了确认结构及其部件受到的载荷影响（变形行为、部件内部变形状态、安全性）而进行的分析。从结构力学的角度分析实现产品目的和功能的设计规格是否有问题。具体而言，通过结构分析将变形行为和应力分布可视化，验证结构是否设计得能够保持足够的强度和耐久性。
当产品在试验过程中或事故中受损时，也用于调查产品受损的原因，是制造业中必不可少的一项技术。
最基本的结构分析类型是线性结构分析。线性结构分析是一种假设弹性特性来计算静态变形行为的分析。在设计中，设计条件下载荷的变形和应力必须在弹性变形范围内，并且设计结构形状并选择材料以实现此目的。
其他方法包括考虑材料因大变形而产生塑性变形的非线性结构分析、考虑瞬时载荷（冲击载荷）的动态分析、以及评估长时间载荷引起的蠕变效应的蠕变分析。
在实际产品中，作用于其上的载荷会随时间而变化，长期使用会产生蠕变现象，瞬时载荷会产生动态现象。然而，在短期范围内，当对载荷的响应不显著或处于稳定状态时，它被视为静态现象。这可以更有效地进行结构分析，因为边界条件不太复杂，计算负荷也低于动态现象。
下一节介绍经常使用的结构分析类型。
结构分析的类型
结构分析中最重要的输入项目之一是应力-应变曲线（SS曲线）。应力-应变曲线是材料变形时应变与应力之间关系的图形表示，其形状因材料而异。例如，图1显示了不锈钢的应力-应变曲线。
材料变形时从应力-应变曲线获得的材料特性是结构分析中的重要信息。
图 1 应力-应变曲线表示材料的弹性和塑性区域
■ 线性结构分析
1. 概述
线性结构分析是一种假设结构中的变形和应力足够小而不会发生故障的分析方法。如图 1 所示，在小变形（应变）范围内，应力和应变之间存在比例关系，该区域称为弹性区域。线性结构分析是一种假设该弹性区域特性的分析方法。由于这种分析方法需要的输入条件较少，分析时间较短，因此在许多情况下使用。
2. 所需数据
CAD 数据、杨氏模量、泊松比、载荷边界条件
3.结果
变形行为、位移、应力分布、应变等。
4. 注意事项
该分析以载荷、约束条件等不随时间变化为前提。由于是在小范围的变形内进行分析，因此无法分析断裂状态等。
■ 非线性结构分析
1. 概述
非线性结构分析是一种考虑结构的大变形和旋转行为（=几何非线性）并假设材料变形到其塑性范围内（=材料非线性）的分析方法。在许多情况下，实际现象的分析将是非线性的，因此必须考虑这些非线性，以便在分析中计算更现实的现象。
- 材料非线性
材料屈服点之后应力-应变关系（SS 曲线）不再成比例的区域称为塑性区域。将包含此塑性区域的 SS 曲线视为物理特性称为材料非线性。 - 几何非线性
该方法用于处理大变形或旋转行为导致载荷方向从变形前到变形后发生变化的情况（见下图）。当构件发生大变化（例如可以通过视觉确认的大变形）时使用此方法。
图 2 几何非线性图像
2. 所需数据
杨氏模量、泊松比、SS曲线（真实应力-应变）
3.结果
应力分布、变形量、变形方式
4. 注意事项
在通过拉伸试验制作 SS 曲线时，将获得的位移除以原始长度而得到的应变称为“公称应变”，将获得的负载除以变形前的横截面积而得到的应力称为“公称应力”。在进行考虑塑性变形的结构分析时，假设变形较大，使用公称应力和公称应变制作的 SS 曲线无法准确表示变形行为。在结构分析中使用时，必须将公称应变转换为真实应变，将公称应力转换为真实应力。
图三 如何将名义应力应变转换为真实应力应变
图 4 公称应力-应变与真实应力-应变之间的差异
应用结构分析
■ 动态分析（冲击分析）
1. 概述
在发生碰撞等瞬间急剧地施加负载时使用的分析。在产品规格中假设存在这种情况时，或为了调查故障原因时使用。
2. 所需数据
CAD 数据、杨氏模量、泊松比、密度、负载边界条件（可能还有初速度和加速度条件）
3.结果
变形行为、位移分布、速度分布、加速度分布、应力、应变
4. 注意事项
塑料具有材料特性随变形率（应变率依赖性）而变化的特性。因此，如果测量点的变形率较高，则低速拉伸试验获得的 SS 曲线可能不准确。通过使用高速拉伸试验机获取高应变率下的 SS 曲线并将其纳入结构分析的输入信息，可以提高分析精度。
■ 热应力分析
1. 概述
如下图所示，材料在升温时会膨胀，在冷却时会收缩。此结构分析考虑了温度变化引起的膨胀和收缩。
图5 温度变化时的热膨胀
2. 所需数据
CAD 数据、杨氏模量、泊松比、线性膨胀系数、初始温度、最终温度
3.结果
变形行为、应力分布、应变分布、位移分布、温度分布
4. 注意事项
如果物体处于不受约束的自由状态，它会无阻力地膨胀，不会产生热应力。但是，如果物体受到约束、物体内部的温度分布不均匀或物体是由不同材料组成的结构，则可能会产生热应力。因此，如果预计物体将在高温环境中使用，通常需要进行考虑热膨胀影响的热应力分析。
概括
介绍了各种结构解析方法以及各方法所需/可获得的信息。任何结构解析中，CAD数据、物性（杨氏弹性模量、泊松比）、载荷边界条件都是最低限度的必要信息，请务必事先准备好。
非线性分析、动态分析等应用结构分析有可能提供更接近实际现象的行为，但事先必须准备的信息往往对建模造成很高的门槛。通常，先使用简化的线性结构分析进行分析，然后按照步骤逐渐增加模型的复杂性，这样通常可以顺利进行研究。
下篇我们将讨论塑料的蠕变和疲劳分析，这部分内容我们没能在本期中全面介绍。敬请期待！
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