结构力学仿真软件：Strand7：材料属性与单元类型设置详解

结构力学仿真软件：Strand7：材料属性与单元类型设置详解1软件简介与界面导航1.1Strand7软件概述Strand7是一款功能强大的结构力学仿真软件，广泛应用于工程设计、分析和优化中。它提供了丰富的单元类型和材料属性设置，能够模拟复杂的结构行为，包括线性和非线性分析、动力学分析、热分析等。Strand7的用户界面直观，操作流程清晰，使得工程师能够高效地进行结构分析。1.2界面布局与功能介绍1.2.1主界面布局Strand7的主界面主要分为以下几个部分：-菜单栏：位于界面顶部，包含文件、编辑、视图、分析、工具等菜单，用于执行软件的主要功能。-工具栏：紧邻菜单栏下方，提供快速访问常用功能的图标按钮。-模型树：左侧的模型树显示了当前模型的结构，包括节点、单元、材料、载荷等，便于用户管理和编辑模型。-图形窗口：占据界面中央大部分区域，用于显示和操作模型的三维视图。-状态栏：界面底部的状态栏显示当前操作的状态信息，如选择的元素类型、坐标位置等。1.2.2功能模块介绍前处理：用于创建和编辑模型，包括定义几何形状、材料属性、单元类型、边界条件和载荷。求解器：执行结构分析，包括线性、非线性、动力学和热分析等。后处理：分析和可视化求解结果，如应力、应变、位移和模态等。1.2.3操作流程创建新模型：通过菜单栏的“文件”->“新建”开始创建一个新的模型。定义材料属性：在“材料”模块中，选择或定义材料的属性，如弹性模量、泊松比、密度等。选择单元类型：在“单元”模块中，根据模型的需要选择合适的单元类型，如梁单元、壳单元、实体单元等。构建几何模型：使用“几何”模块中的工具创建模型的几何形状，包括点、线、面和体。设置边界条件和载荷：在“边界条件”和“载荷”模块中，定义模型的约束和外部作用力。运行分析：通过“求解器”模块，选择合适的分析类型并运行分析。查看结果：在“后处理”模块中，查看和分析求解结果，进行结果的可视化。1.2.4示例：定义材料属性#在Strand7中定义材料属性的示例代码

#假设使用PythonAPI与Strand7交互

#导入Strand7的PythonAPI模块

importstrand7api

#创建材料属性

material=strand7api.Material()

material.Name="Steel"

material.Type=strand7api.MaterialType.ISOTROPIC

material.ElasticModulus=200e9#弹性模量，单位：帕斯卡

material.PoissonRatio=0.3#泊松比

material.Density=7850#密度，单位：千克/立方米

#将材料属性添加到模型中

model=strand7api.Model()

model.Materials.Add(material)

#保存模型

model.Save("example.str7")在上述示例中，我们使用了Strand7的PythonAPI来定义一个名为“Steel”的材料属性，包括其弹性模量、泊松比和密度。然后将这个材料属性添加到模型中，并保存模型。1.2.5示例：选择单元类型#在Strand7中选择单元类型的示例代码

#创建梁单元

beam=strand7api.Beam()

beam.Material="Steel"

beam.CrossSection=strand7api.CrossSection()

beam.CrossSection.Type=strand7api.CrossSectionType.RECTANGULAR

beam.CrossSection.Width=0.1

beam.CrossSection.Height=0.2

#将梁单元添加到模型中

model=strand7api.Model()

model.Elements.Add(beam)

#保存模型

model.Save("example.str7")在这个示例中，我们定义了一个梁单元，指定了其材料属性为“Steel”，并设置了梁单元的截面类型为矩形，宽度和高度分别为0.1和0.2米。然后将这个梁单元添加到模型中，并保存模型。通过以上介绍和示例，您应该对Strand7的界面布局和基本操作流程有了初步的了解。接下来，您可以深入学习如何在Strand7中进行更复杂的模型设置和分析操作。2材料属性设置2.1定义材料属性：弹性模量与泊松比在结构力学仿真中，材料属性的定义是至关重要的步骤，它直接影响到结构的响应和行为。Strand7提供了灵活的材料属性设置功能，允许用户定义包括弹性模量（E）和泊松比（ν）在内的基本材料参数。2.1.1弹性模量与泊松比弹性模量（E）：衡量材料在弹性范围内抵抗变形的能力。在Strand7中，可以通过材料库选择预定义的材料，或自定义材料属性输入弹性模量值。泊松比（ν）：描述材料在受力时横向收缩与纵向伸长的比例关系。Strand7同样支持泊松比的自定义输入。2.1.2示例：定义钢材属性假设我们正在分析一个钢结构，需要定义钢材的材料属性。钢材的弹性模量通常为200GPa，泊松比为0.3。1.打开Strand7，进入材料属性设置界面。

2.选择“NewMaterial”创建新材料。

3.在材料类型中选择“Isotropic”（各向同性材料）。

4.输入材料名称，例如“Steel”。

5.在“ElasticModulus”字段输入200GPa。

6.在“Poisson'sRatio”字段输入0.3。

7.点击保存，完成材料属性设置。2.2材料属性：塑性、蠕变与疲劳分析除了基本的弹性属性，Strand7还支持更复杂的材料行为分析，包括塑性、蠕变和疲劳。2.2.1塑性分析塑性分析用于模拟材料在超过弹性极限后的非线性行为。Strand7通过定义应力-应变曲线来实现塑性材料的设置。2.2.2蠕变分析蠕变分析用于评估材料在长时间载荷作用下的变形行为。Strand7支持多种蠕变模型，如时间依赖的蠕变模型。2.2.3疲劳分析疲劳分析用于预测材料在循环载荷作用下的寿命。Strand7提供了基于S-N曲线的疲劳分析功能。2.2.4示例：定义塑性材料属性假设我们正在分析一个承受塑性变形的结构件，需要定义材料的塑性行为。我们将使用一个简单的线性硬化模型，其中屈服强度为250MPa，硬化模量为10GPa。1.在材料属性设置界面，选择“Plasticity”选项卡。

2.选择“LinearHardening”模型。

3.在“YieldStress”字段输入250MPa。

4.在“HardeningModulus”字段输入10GPa。

5.点击保存，完成塑性材料属性设置。2.3复合材料与各向异性材料设置复合材料和各向异性材料在现代工程中应用广泛，Strand7提供了详细的设置选项来处理这类材料。2.3.1复合材料复合材料由两种或更多种不同性质的材料组成，Strand7允许用户定义复合材料的层结构和各层的材料属性。2.3.2各向异性材料各向异性材料的属性在不同方向上不同，Strand7支持定义材料的各向异性属性，如弹性模量和泊松比在不同方向上的值。2.3.3示例：定义各向异性复合材料假设我们正在分析一个由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的结构件，需要定义其各向异性材料属性。CFRP在纤维方向上的弹性模量为230GPa，横向弹性模量为10GPa，泊松比分别为0.3（纤维方向）和0.45（横向）。1.在材料属性设置界面，选择“Anisotropic”选项卡。

2.输入材料名称，例如“CFRP”。

3.在“ElasticModulus”字段下，分别输入纤维方向和横向的弹性模量值。

4.在“Poisson'sRatio”字段下，分别输入纤维方向和横向的泊松比值。

5.定义材料的层结构，包括层数、厚度和纤维方向。

6.点击保存，完成复合材料属性设置。通过以上步骤，用户可以在Strand7中精确地定义材料属性，无论是基本的弹性属性，还是复杂的塑性、蠕变、疲劳或各向异性属性，都能满足仿真分析的需求。3单元类型与选择3.1单元类型概述：梁、壳、实体与接触单元在结构力学仿真软件Strand7中，单元类型的选择是模拟结构行为的关键。不同的单元类型适用于不同的结构分析，包括梁单元、壳单元、实体单元和接触单元。每种单元都有其特定的属性和适用场景，正确选择单元类型可以提高分析的准确性和效率。3.1.1梁单元：设置与应用案例梁单元用于模拟长细比大的结构，如桥梁、框架等。在Strand7中，梁单元的设置包括选择材料、定义截面属性和指定约束条件。示例：设置梁单元#设置梁单元属性

#导入Strand7API模块

importstrand7

#创建材料属性

material=strand7.Material()

="Steel"

material.youngsModulus=200e9#钢的杨氏模量，单位：帕斯卡

material.poissonRatio=0.3#钢的泊松比

#创建梁截面

section=strand7.Section()

section.type="Rectangular"

section.width=0.1#截面宽度，单位：米

section.height=0.2#截面高度，单位：米

#应用材料和截面属性到梁单元

beam=strand7.Beam()

beam.material=material

beam.section=section

#添加梁单元到模型

model=strand7.Model()

model.add_beam(beam)3.1.2壳单元：厚度、材料与网格划分壳单元适用于薄板和壳体结构的分析。厚度、材料属性和网格划分是壳单元设置中的重要参数。示例：设置壳单元#设置壳单元属性

#导入Strand7API模块

importstrand7

#创建材料属性

material=strand7.Material()

="Aluminium"

material.youngsModulus=70e9#铝的杨氏模量，单位：帕斯卡

material.poissonRatio=0.33#铝的泊松比

#创建壳单元

shell=strand7.Shell()

shell.material=material

shell.thickness=0.005#壳单元厚度，单位：米

#网格划分

mesh=strand7.Mesh()

mesh.size=0.1#网格大小，单位：米

mesh.type="Quad"#网格类型：四边形

#应用网格划分到壳单元

shell.mesh=mesh

#添加壳单元到模型

model=strand7.Model()

model.add_shell(shell)3.1.3实体单元：选择与优化策略实体单元用于三维实体结构的分析，如混凝土结构、土体等。选择合适的实体单元类型和优化策略可以提高分析的精度和效率。示例：设置实体单元#设置实体单元属性

#导入Strand7API模块

importstrand7

#创建材料属性

material=strand7.Material()

="Concrete"

material.youngsModulus=30e9#混凝土的杨氏模量，单位：帕斯卡

material.poissonRatio=0.2#混凝土的泊松比

#创建实体单元

solid=strand7.Solid()

solid.material=material

#网格划分

mesh=strand7.Mesh()

mesh.size=0.5#网格大小，单位：米

mesh.type="Hexahedral"#网格类型：六面体

#应用网格划分到实体单元

solid.mesh=mesh

#添加实体单元到模型

model=strand7.Model()

model.add_solid(solid)3.1.4接触单元：定义与模拟接触行为接触单元用于模拟两个或多个实体之间的接触行为，如摩擦、碰撞等。在Strand7中，接触单元的设置包括定义接触面、选择接触类型和设置接触属性。示例：设置接触单元#设置接触单元属性

#导入Strand7API模块

importstrand7

#创建接触面

contact_surface=strand7.ContactSurface()

contact_="Surface1"

#设置接触属性

contact_properties=strand7.ContactProperties()

contact_properties.frictionCoefficient=0.3#摩擦系数

#创建接触单元

contact=strand7.Contact()

contact.master=contact_surface

contact.slave=contact_surface

perties=contact_properties

#添加接触单元到模型

model=strand7.Model()

model.add_contact(contact)以上示例展示了如何在Strand7中设置不同类型的单元，包括梁单元、壳单元、实体单元和接触单元。通过这些设置，可以构建复杂的结构模型并进行精确的力学分析。4网格划分与优化4.1网格划分基础：单元大小与形状在结构力学仿真中，网格划分是将连续体离散化为一系列有限单元的过程，这是进行有限元分析的基础。单元的大小和形状直接影响分析的精度和计算效率。4.1.1单元大小单元大小的选择需考虑结构的几何特征、载荷分布、材料性质以及预期的应力变化。较小的单元可以提供更精细的分析结果，但会增加计算时间和资源需求。例如，对于应力集中区域，如尖角或裂纹尖端，应使用较小的单元以准确捕捉应力分布。4.1.2单元形状单元形状包括四边形、三角形、六面体、四面体等。不同形状的单元适用于不同的几何结构。例如，四边形和六面体单元在平面和三维结构中提供更好的精度，而三角形和四面体单元则在处理复杂几何时更为灵活。4.2网格优化：质量检查与改进策略网格优化确保了有限元模型的准确性和可靠性。质量差的网格可能导致不准确的分析结果或计算失败。4.2.1质量检查网格质量检查通常包括检查单元的形状、大小、扭曲度和长宽比。例如，四边形单元的长宽比应接近1，以避免过度拉伸或压缩，这可能影响分析结果的准确性。4.2.2改进策略改进网格质量的方法包括重新划分、局部细化和网格平滑。例如，使用网格平滑算法可以减少单元的扭曲，提高网格的整体质量。在Strand7中，可以使用内置的网格优化工具来自动执行这些操作。4.3自适应网格划分：原理与应用自适应网格划分是一种动态调整网格密度的技术，以提高分析效率和精度。它根据分析结果自动细化或粗化网格，确保在需要高精度的区域使用更小的单元。4.3.1原理自适应网格划分基于误差估计，通过分析单元的应力、应变或位移误差，确定哪些区域需要细化。例如，如果在结构的某部分检测到高应力梯度，该区域的网格将被自动细化。4.3.2应用自适应网格划分特别适用于处理应力集中、裂纹扩展或非线性行为等问题。在Strand7中，可以设置自适应网格划分的参数，如最大误差、最小单元大小等，以控制网格的动态调整。4.3.3示例代码以下是一个使用Strand7进行自适应网格划分的示例代码。请注意，实际的Strand7脚本语言是基于其专有的脚本语言，但为了说明，这里使用伪代码来模拟过程。#假设这是Strand7的伪代码示例

#初始化模型

model=Strand7Model()

model.loadGeometry("example.stl")#加载几何模型

#设置材料属性和边界条件

model.setMaterialProperties("steel")

model.applyBoundaryConditions("fixed","load")

#初始网格划分

model.mesh("initial",10)#初始单元大小为10

#执行自适应网格划分

model.adaptiveMesh("max_error",0.01)#设置最大误差为0.01

model.adaptiveMesh("min_size",5)#设置最小单元大小为5

#运行分析

model.runAnalysis()

#输出结果

model.exportResults("analysis_results.st7res")在上述示例中，我们首先加载了一个几何模型，然后设置了材料属性和边界条件。接着，我们进行了初始网格划分，单元大小为10。为了提高精度，我们使用了自适应网格划分，设置了最大误差为0.01和最小单元大小为5。最后，运行分析并导出了结果。通过自适应网格划分，我们可以在保持计算效率的同时，确保在关键区域的分析精度。这是结构力学仿真中一个非常重要的技术，特别是在处理复杂结构和非线性问题时。5边界条件与载荷应用5.1定义边界条件：固定、铰接与滑动在结构力学仿真中，边界条件的设定至关重要，它定义了结构与周围环境的相互作用方式。Strand7提供了多种边界条件的定义，包括固定、铰接和滑动等，以满足不同类型的工程分析需求。5.1.1固定边界条件固定边界条件意味着结构在该点或区域不允许有任何位移。在Strand7中，可以通过选择节点或元素，然后在边界条件设置中选择“固定”来实现。例如，对于一个悬臂梁的分析，梁的一端通常会被设置为固定，以模拟其被牢固地连接到支撑结构上。5.1.2铰接边界条件铰接边界条件允许结构在该点或区域绕一个轴旋转，但不允许平移。这种边界条件常用于模拟结构中的铰链或旋转支点。在Strand7中，铰接可以通过释放某些方向的位移自由度来实现，通常是在旋转自由度上施加约束，而在平移自由度上释放。5.1.3滑动边界条件滑动边界条件允许结构在该点或区域沿一个或多个方向滑动，但不允许垂直于滑动面的位移。这种边界条件常用于模拟滑动支座或接触面。在Strand7中，可以通过释放某些方向的位移自由度，同时在其他方向上施加约束来实现滑动边界条件。5.2载荷应用：力、压力与温度载荷载荷是结构分析中的关键输入，它决定了结构的响应。Strand7支持多种载荷类型，包括力、压力和温度载荷，这些载荷可以单独或组合施加，以模拟实际工程中的复杂情况。5.2.1力载荷力载荷可以直接施加在节点或元素上，以模拟作用在结构上的集中力或分布力。在Strand7中，力载荷的施加通常需要指定力的大小和方向。例如，对于一个桥梁的分析，可以施加垂直向下的重力载荷，以及水平方向的风力载荷。5.2.2压力载荷压力载荷通常施加在结构的表面上，以模拟流体或气体对结构的作用。在Strand7中，压力载荷的施加需要选择表面或面元素，并指定压力的大小。例如，在分析水坝时，可以施加水压力载荷，其大小随水深而变化。5.2.3温度载荷温度载荷用于模拟温度变化对结构的影响，如热胀冷缩。在Strand7中，温度载荷可以施加在结构的任何部分，需要指定温度的增量或变化。例如，在分析热交换器时，可以施加温度载荷来模拟热流体和冷流体通过时的温度变化。5.3动态载荷与模态分析动态载荷是指随时间变化的载荷，它对结构的影响通常需要通过动态分析来评估。Strand7提供了动态分析功能，可以处理包括冲击、振动和地震在内的动态载荷。5.3.1动态载荷动态载荷的施加需要指定载荷的时间历程，这可以通过导入载荷时间历史数据或使用预定义的载荷函数来实现。例如，在分析飞机机翼的振动特性时，可以施加随时间变化的气动力载荷。5.3.2模态分析模态分析用于确定结构的固有频率和振型，这对于理解结构的动态行为至关重要。在Strand7中，模态分析可以通过求解结构的特征值问题来实现。例如，对于一个高层建筑的分析，模态分析可以帮助工程师了解结构在风载荷或地震载荷下的振动特性，从而优化设计，提高结构的安全性和舒适性。5.3.3示例：桥梁的动态分析假设我们正在分析一座桥梁在风载荷下的动态响应。首先，我们需要定义桥梁的几何和材料属性，然后设置边界条件，例如，桥梁的一端被固定，另一端为铰接。接着，我们施加风力载荷，该载荷随时间变化，可以使用Strand7的载荷时间历史功能来定义。最后，我们进行动态分析，以评估桥梁在风载荷下的振动特性。#Strand7PythonAPI示例代码

#定义桥梁的几何和材料属性

model=Strand7Model()

model.addBeamSection('BeamSection1',0.5,0.2,2.0E11,0.3)

model.addBeam('Beam1','BeamSection1',[0,0,0],[10,0,0])

#设置边界条件

model.addBoundaryCondition('Fixed','Beam1',[0,0,0],[True,True,True])

model.addBoundaryCondition('Hinged','Beam1',[10,0,0],[True,False,True])

#施加风力载荷

wind_load=[0,-1000,0]#风力载荷，假设为垂直向下的力

model.addLoad('WindLoad','Beam1',wind_load)

#定义载荷时间历史

time_history=[(0,0),(1,1000),(2,0)]#时间-载荷历史

model.addLoadTimeHistory('WindLoad',time_history)

#进行动态分析

model.dynamicAnalysis('Modal',10)#求解前10个模态在上述示例中，我们首先定义了桥梁的几何和材料属性，然后设置了固定和铰接的边界条件。接着，我们施加了随时间变化的风力载荷，并定义了载荷的时间历史。最后，我们进行了模态分析，以评估桥梁的动态特性。通过Strand7的这些功能，工程师可以更准确地模拟和预测结构在各种载荷条件下的行为，从而进行更有效的设计和优化。6求解设置与后处理6.1求解器选择：线性与非线性求解在结构力学仿真中，选择正确的求解器对于获得准确的分析结果至关重要。Strand7提供了线性和非线性求解器，以适应不同类型的分析需求。6.1.1线性求解器线性求解器适用于结构在小变形和小应变条件下的分析，其中材料属性和几何形状在分析过程中被视为不变的。这种求解器通常用于静态、模态和频响分析。示例：线性静态分析在Strand7中，进行线性静态分析的设置可以通过以下步骤完成：打开分析设置：在菜单中选择“Analysis”>“AnalysisSettings”。选择求解器：在弹出的对话框中，选择“Linear”作为求解器类型。设置分析步：在“AnalysisSteps”标签页下，定义分析步，通常只需一个步即可。应用边界条件和载荷：返回主界面，设置所需的边界条件和载荷。-打开分析设置

-选择求解器类型为Linear

-设置分析步为1

-应用边界条件和载荷6.1.2非线性求解器非线性求解器用于处理结构在大变形、大应变或材料非线性条件下的分析。这种求解器可以捕捉到结构的非线性行为，如塑性、蠕变、接触和几何非线性等。示例：非线性静态分析进行非线性静态分析的设置包括：打开分析设置：同样在菜单中选择“Analysis”>“AnalysisSettings”。选择求解器：在对话框中，选择“Nonlinear”作为求解器类型。设置分析步：在“AnalysisSteps”标签页下，定义多个分析步，每个步可以有不同的载荷增量和收敛准则。应用边界条件和载荷：返回主界面，设置所需的边界条件和载荷，注意非线性分析中载荷的施加方式可能需要采用增量加载。-打开分析设置

-选择求解器类型为Nonlinear

-设置分析步，例如，定义3个步，每个步的载荷增量分别为10%,30%,60%

-应用边界条件和载荷，采用增量加载方式6.2后处理：结果可视化与数据分析后处理是分析过程中的重要环节，它帮助工程师理解仿真结果，进行必要的数据分析和可视化。6.2.1结果可视化Strand7提供了丰富的可视化工具，包括变形图、应力云图、应变图和位移图等，以直观展示结构的响应。示例：查看变形图在Strand