边界条件与载荷应用
在材料力学仿真软件Calculix中，边界条件和载荷的正确应用是确保仿真结果准确性和可靠性的关键步骤。边界条件定义了模型在特定位置的行为，而载荷则定义了作用于模型上的外力或能量。本节将详细介绍如何在Calculix中设置和应用边界条件与载荷，包括静态载荷、动态载荷、热载荷等，并通过具体的代码示例进行说明。
边界条件的设置
边界条件是仿真模型中非常重要的部分，它们定义了模型在某些特定位置的行为。常见的边界条件包括约束（位移、旋转）、载荷（力、压力）、热边界条件（温度、热流）等。
1. 位移约束
位移约束用于固定模型的某些节点，防止它们在特定方向上移动。在Calculix中，位移约束通过*BOUNDARY关键字来定义。
代码示例
假设我们有一个简单的梁模型，需要固定梁的两端节点在所有方向上的位移。
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
1,3,0.0
2,1,0.0
2,2,0.0
2,3,0.0
-
1,1,0.0表示节点1在X方向上的位移为0。 -
1,2,0.0表示节点1在Y方向上的位移为0。 -
1,3,0.0表示节点1在Z方向上的位移为0。 -
2,1,0.0表示节点2在X方向上的位移为0。 -
2,2,0.0表示节点2在Y方向上的位移为0。 -
2,3,0.0表示节点2在Z方向上的位移为0。
2. 力载荷
力载荷是作用于模型上的外力，可以是集中力或分布力。在Calculix中，力载荷通过*CLOAD关键字来定义。
代码示例
假设我们在节点3上施加一个100N的力，方向为Y轴正方向。
*CLOAD
3,2,100.0
3,2,100.0表示在节点3的Y方向上施加100N的力。
3. 压力载荷
压力载荷通常作用于模型的表面，可以是均匀的或非均匀的。在Calculix中，压力载荷通过*SURFACE LOAD关键字来定义。
代码示例
假设我们在表面SURF_1上施加一个100Pa的压力，方向为Z轴负方向。
*SURFACE LOAD
SURF_1,3,-100.0
SURF_1,3,-100.0表示在表面SURF_1的Z方向上施加-100Pa的压力。
4. 热边界条件
热边界条件定义了模型的温度分布或热流。在Calculix中，热边界条件通过*BOUNDARY, TYPE=TEMPERATURE或*BOUNDARY, TYPE=HEAT FLUX关键字来定义。
代码示例
假设我们固定节点1的温度为100°C。
*BOUNDARY, TYPE=TEMPERATURE
1,1,100.0
1,1,100.0表示节点1的温度为100°C。
假设我们在节点2上施加一个10W/m²的热流。
*BOUNDARY, TYPE=HEAT FLUX
2,1,10.0
2,1,10.0表示节点2的热流为10W/m²。
动态载荷的设置
动态载荷是指随时间变化的载荷，包括时间函数、步加载等。在Calculix中，动态载荷通过*LOAD, AMPLITUDE关键字来定义。
1. 时间函数
时间函数用于定义载荷随时间的变化。在Calculix中，时间函数通过*AMPLITUDE关键字来定义。
代码示例
假设我们定义一个简单的时间函数，该函数随时间线性增加。
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE
0.0, 0.0
1.0, 100.0
-
0.0, 0.0表示在时间为0时，载荷为0。 -
1.0, 100.0表示在时间为1时，载荷为100。
假设我们在节点3上施加一个随时间变化的力，方向为Y轴正方向，使用上述定义的时间函数。
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE
3,2,100.0
3,2,100.0表示在节点3的Y方向上施加100N的力，载荷随时间变化按照LINEAR_AMPLITUDE函数。
2. 步加载
步加载是指在不同的时间步中施加不同的载荷。在Calculix中，步加载通过*STEP关键字来定义。
代码示例
假设我们定义一个包含两个时间步的仿真步骤，每个步骤施加不同的力。
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*CLOAD
3,2,100.0
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*CLOAD
3,2,200.0
*END STEP
-
*STEP, NLGEOM表示开始一个新的仿真步骤，并考虑几何非线性。 -
*STATIC表示该步骤为静态分析。 -
0.0, 1.0, 0.0, 0.0表示时间步的开始时间、结束时间、初始增量和最小增量。 -
*CLOAD表示施加集中力。 -
3,2,100.0表示在节点3的Y方向上施加100N的力。 -
3,2,200.0表示在节点3的Y方向上施加200N的力。
热载荷的设置
热载荷是指作用于模型上的热能，可以是温度分布、热流等。在Calculix中，热载荷通过*TEMPERATURE或*HEAT FLUX关键字来定义。
1. 温度分布
温度分布用于定义模型在特定位置的温度值。在Calculix中，温度分布通过*TEMPERATURE关键字来定义。
代码示例
假设我们在节点1和节点2上分别施加100°C和200°C的温度。
*TEMPERATURE
1,100.0
2,200.0
-
1,100.0表示节点1的温度为100°C。 -
2,200.0表示节点2的温度为200°C。
2. 热流
热流用于定义模型在特定位置的热流密度。在Calculix中，热流通过*HEAT FLUX关键字来定义。
代码示例
假设我们在节点3上施加一个10W/m²的热流。
*HEAT FLUX
3,10.0
3,10.0表示节点3的热流为10W/m²。
载荷和边界条件的组合应用
在实际工程仿真中，通常需要同时施加多种载荷和边界条件。Calculix支持在同一个步骤中定义多种载荷和边界条件。
代码示例
假设我们在同一个步骤中施加位移约束、力载荷和热流。
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
1,3,0.0
2,1,0.0
2,2,0.0
2,3,0.0
*CLOAD
3,2,100.0
*HEAT FLUX
3,10.0
*END STEP
-
*STEP, NLGEOM表示开始一个新的仿真步骤，并考虑几何非线性。 -
*STATIC表示该步骤为静态分析。 -
*BOUNDARY表示施加位移约束。 -
*CLOAD表示施加集中力。 -
*HEAT FLUX表示施加热流。
边界条件和载荷的高级应用
在高级应用中，边界条件和载荷可以更加复杂，例如非线性载荷、多步加载、多物理场耦合等。
1. 非线性载荷
非线性载荷是指载荷的大小与模型的响应有关。在Calculix中，非线性载荷可以通过定义非线性时间函数或使用非线性材料属性来实现。
代码示例
假设我们定义一个非线性时间函数，该函数随时间变化呈指数增长。
*AMPLITUDE, NAME=EXPONENTIAL_AMPLITUDE
0.0, 0.0
1.0, 100.0
2.0, 200.0
3.0, 300.0
-
0.0, 0.0表示在时间为0时，载荷为0。 -
1.0, 100.0表示在时间为1时，载荷为100。 -
2.0, 200.0表示在时间为2时，载荷为200。 -
3.0, 300.0表示在时间为3时，载荷为300。
假设我们在节点3上施加一个随时间变化的非线性力，方向为Y轴正方向，使用上述定义的时间函数。
*CLOAD, AMPLITUDE=EXPONENTIAL_AMPLITUDE
3,2,100.0
3,2,100.0表示在节点3的Y方向上施加100N的力，载荷随时间变化按照EXPONENTIAL_AMPLITUDE函数。
2. 多步加载
多步加载是指在不同的时间步中施加不同的载荷。在Calculix中，多步加载通过多个*STEP关键字来实现。
代码示例
假设我们定义一个包含三个时间步的仿真步骤，每个步骤施加不同的力和温度。
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
1,3,0.0
2,1,0.0
2,2,0.0
2,3,0.0
*CLOAD
3,2,100.0
*TEMPERATURE
1,100.0
2,200.0
*END STEP
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*CLOAD
3,2,200.0
*TEMPERATURE
1,150.0
2,250.0
*END STEP
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*CLOAD
3,2,300.0
*TEMPERATURE
1,200.0
2,300.0
*END STEP
-
*STEP, NLGEOM表示开始一个新的仿真步骤，并考虑几何非线性。 -
*STATIC表示该步骤为静态分析。 -
*BOUNDARY表示施加位移约束。 -
*CLOAD表示施加集中力。 -
*TEMPERATURE表示施加温度。
3. 多物理场耦合
多物理场耦合是指在同一个仿真步骤中同时考虑多种物理场的影响，例如热-结构耦合分析。在Calculix中，多物理场耦合通过定义多个物理场的载荷和边界条件来实现。
代码示例
假设我们进行一个热-结构耦合分析，同时施加温度和力载荷。
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
1,3,0.0
2,1,0.0
2,2,0.0
2,3,0.0
*CLOAD
3,2,100.0
*TEMPERATURE
1,100.0
2,200.0
*HEAT FLUX
3,10.0
*END STEP
-
*STEP, NLGEOM表示开始一个新的仿真步骤，并考虑几何非线性。 -
*STATIC表示该步骤为静态分析。 -
*BOUNDARY表示施加位移约束。 -
*CLOAD表示施加集中力。 -
*TEMPERATURE表示施加温度。 -
*HEAT FLUX表示施加热流。
边界条件和载荷的验证
在设置边界条件和载荷后，验证其正确性是至关重要的。可以通过以下方法进行验证：
-
检查输入文件：确保所有边界条件和载荷都正确地定义在输入文件中。
-
运行仿真：运行仿真并检查输出结果，确保模型的响应符合预期。
-
可视化结果：使用后处理工具（如CGX）可视化仿真结果，检查位移、应力、温度等物理量的分布。
代码示例
假设我们使用CGX进行结果的可视化。
cgx -b model.frd
cgx -b model.frd命令用于打开Calculix的二进制结果文件model.frd，并使用CGX进行后处理和可视化。
边界条件和载荷的优化
在某些情况下，可能需要优化边界条件和载荷以获得最佳的仿真结果。优化可以通过以下方法进行：
-
参数化定义：将边界条件和载荷定义为参数，通过改变参数值来优化。
-
灵敏度分析：进行灵敏度分析，评估不同参数值对仿真结果的影响。
-
优化算法：使用优化算法（如遗传算法、梯度下降法等）来自动优化参数值。
代码示例
假设我们使用参数化定义来优化边界条件和载荷。
*PARAMETER
P1 = 100.0
P2 = 200.0
T1 = 100.0
T2 = 200.0
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
1,3,0.0
2,1,0.0
2,2,0.0
2,3,0.0
*CLOAD
3,2,P1
*TEMPERATURE
1,T1
2,T2
*HEAT FLUX
3,P2/10.0
*END STEP
-
*PARAMETER表示定义参数。 -
P1 = 100.0和P2 = 200.0表示定义参数P1和P2。 -
T1 = 100.0和T2 = 200.0表示定义参数T1和T2。 -
3,2,P1表示在节点3的Y方向上施加P1的力。 -
1,T1和2,T2表示施加温度。 -
3,P2/10.0表示在节点3上施加P2/10.0的热流。
实际工程案例
为了更好地理解边界条件和载荷的应用，我们通过一个实际工程案例进行说明。假设我们有一个二维梁模型，需要在梁的一端固定，另一端施加一个随时间变化的力载荷，并在梁的表面施加一个均匀的压力载荷。
1. 模型定义
首先，定义模型的几何和网格。
*NODE
1, 0.0, 0.0
2, 10.0, 0.0
3, 0.0, 10.0
4, 10.0, 10.0
*ELEMENT, TYPE=S3
1, 1, 2, 3
2, 2, 3, 4
*ELSET, ELSET=ELSET_1
1, 2
-
*NODE关键字用于定义节点，每个节点有两个坐标值（X, Y）。 -
*ELEMENT, TYPE=S3关键字用于定义三角形单元。 -
*ELSET, ELSET=ELSET_1关键字用于定义一个单元集，包含两个单元。
2. 边界条件的设置
接下来，设置梁一端的位移约束。
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
3,1,0.0
3,2,0.0
-
*STEP, NLGEOM表示开始一个新的仿真步骤，并考虑几何非线性。 -
*STATIC表示该步骤为静态分析。 -
*BOUNDARY表示施加位移约束。 -
1,1,0.0和1,2,0.0表示节点1在X和Y方向上的位移为0。 -
3,1,0.0和3,2,0.0表示节点3在X和Y方向上的位移为0。
3. 力载荷的设置
在梁的另一端施加一个随时间变化的力载荷。
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE
0.0, 0.0
1.0, 100.0
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE
2,2,100.0
-
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE表示定义一个名为LINEAR_AMPLITUDE的时间函数。 -
0.0, 0.0表示在时间为0时，载荷为0。 -
1.0, 100.0表示在时间为1时，载荷为100。 -
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE表示施加集中力，并使用定义的时间函数。 -
2,2,100.0表示在节点2的Y方向上施加100N的力，载荷随时间变化按照LINEAR_AMPLITUDE函数。
4. 压力载荷的设置
在梁的表面施加一个均匀的压力载荷。
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, NAME=SURF_1
ELSET_1, S3
*SURFACE LOAD
SURF_1,2,-10.0
-
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, NAME=SURF_1表示定义一个名为SURF_1的表面，类型为单元表面，包含单元集ELSET_1的S3面。 -
*SURFACE LOAD表示施加表面载荷。 -
SURF_1,2,-10.0表示在表面SURF_1的Y方向上施加-10Pa的压力。
5. 热载荷的设置
假设我们在梁的一端施加一个温度边界条件，并在另一端施加一个热流。
*TEMPERATURE
1,100.0
*HEAT FLUX
2,20.0
-
*TEMPERATURE表示施加温度。 -
1,100.0表示节点1的温度为100°C。 -
*HEAT FLUX表示施加热流。 -
2,20.0表示节点2的热流为20W/m²。
6. 完整的输入文件
将上述定义组合在一起，形成一个完整的Calculix输入文件。
*NODE
1, 0.0, 0.0
2, 10.0, 0.0
3, 0.0, 10.0
4, 10.0, 10.0
*ELEMENT, TYPE=S3
1, 1, 2, 3
2, 2, 3, 4
*ELSET, ELSET=ELSET_1
1, 2
*SURFACE, TYPE=ELEMENT, NAME=SURF_1
ELSET_1, S3
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
3,1,0.0
3,2,0.0
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE
0.0, 0.0
1.0, 100.0
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE
2,2,100.0
*SURFACE LOAD
SURF_1,2,-10.0
*TEMPERATURE
1,100.0
*HEAT FLUX
2,20.0
*END STEP
边界条件和载荷的验证
在设置边界条件和载荷后，验证其正确性是至关重要的。可以通过以下方法进行验证：
-
检查输入文件：确保所有边界条件和载荷都正确地定义在输入文件中。
-
运行仿真：运行仿真并检查输出结果，确保模型的响应符合预期。
-
可视化结果：使用后处理工具（如CGX）可视化仿真结果，检查位移、应力、温度等物理量的分布。
代码示例
假设我们使用CGX进行结果的可视化。
cgx -b model.frd
cgx -b model.frd命令用于打开Calculix的二进制结果文件model.frd，并使用CGX进行后处理和可视化。
边界条件和载荷的优化
在某些情况下，可能需要优化边界条件和载荷以获得最佳的仿真结果。优化可以通过以下方法进行：
-
参数化定义：将边界条件和载荷定义为参数，通过改变参数值来优化。
-
灵敏度分析：进行灵敏度分析，评估不同参数值对仿真结果的影响。
-
优化算法：使用优化算法（如遗传算法、梯度下降法等）来自动优化参数值。
代码示例
假设我们使用参数化定义来优化边界条件和载荷。
*PARAMETER
P1 = 100.0
P2 = 20.0
T1 = 100.0
*STEP, NLGEOM
*STATIC
0.0, 1.0, 0.0, 0.0
*BOUNDARY
1,1,0.0
1,2,0.0
3,1,0.0
3,2,0.0
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE
0.0, 0.0
1.0, P1
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE
2,2,P1
*SURFACE LOAD
SURF_1,2,-10.0
*TEMPERATURE
1,T1
*HEAT FLUX
2,P2
*END STEP
-
*PARAMETER表示定义参数。 -
P1 = 100.0表示定义参数P1，初始值为100.0。 -
P2 = 20.0表示定义参数P2，初始值为20.0。 -
T1 = 100.0表示定义参数T1，初始值为100.0。 -
*AMPLITUDE, NAME=LINEAR_AMPLITUDE表示定义一个名为LINEAR_AMPLITUDE的时间函数。 -
0.0, 0.0表示在时间为0时，载荷为0。 -
1.0, P1表示在时间为1时，载荷为P1。 -
*CLOAD, AMPLITUDE=LINEAR_AMPLITUDE表示施加集中力，并使用定义的时间函数。 -
2,2,P1表示在节点2的Y方向上施加P1的力，载荷随时间变化按照LINEAR_AMPLITUDE函数。 -
*TEMPERATURE表示施加温度。 -
1,T1表示节点1的温度为T1。 -
*HEAT FLUX表示施加热流。 -
2,P2表示节点2的热流为P2。
总结
在Calculix中，正确设置和应用边界条件与载荷是确保仿真结果准确性和可靠性的关键步骤。通过理解不同类型的边界条件和载荷，以及如何在输入文件中定义它们，可以有效地进行各种类型的仿真分析。验证和优化边界条件和载荷的设置也是必不可少的，以确保仿真结果符合实际工程需求。希望本节的内容能帮助您更好地掌握Calculix中边界条件和载荷的应用。
标签：材料力学,0.0,载荷,边界条件,Calculix,施加,AMPLITUDE,100.0 From： https://blog.csdn.net/weixin_42749425/article/details/145122323