基础-ANSYS非线性分析

ANSYS非线性分析3D-e教育非线性结构分析简介非线性结构的定义非线性结构分析的类型非线性结构分析注意事项非线性结构分析的分析过程分析过程简介建模加载求解结果后处理几何非线性几何非线性简介大应变效应对几何非线性情况的处理方法几何非线性实例材料非线性材料非线性简介塑性分析中的一些基本原则查看结果材料非线性实例状态非线性状态非线性简介点─点接触分析点─面接触分析面─面的接触分析状态非线性实例3D-e教育非线性分析简介非线性结构分析简介非线性结构的定义非线性结构分析的分类非线性结构分析注意事项章目录小节目录|3D-e教育非线性结构分析定义非线性结构分析定义非线性分析的基本特征—变化的结构刚度章目录小节目录|3D-e教育非线性结构分析分类非线性结构分析分类非线性结构分析几何非线性材料非线性状态非线性结构变形的大位移造成的刚度变化材料的物理定律是非线性的系统状态的改变造成系统刚度的变化章目录小节目录|3D-e教育非线性结构分析注意事项非线性结构分析注意事项1．了解程序的运作方式和结构的表现行为2．简化模型3．采用足够的网格密度4．逐步加载5．合理地使用平衡迭代章目录小节目录|3D-e教育非线性结构的分析过程非线性结构分析的分析过程分析过程概述建模加载求解结果后处理章目录小节目录|3D-e教育分析过程概述非线性分析的基本步骤与线性分析一样,主要包括三步:前处理后处理加载求解建立有限元模型，定义材料非线性参数。施加约束载荷，定义求解模式和载荷步设置。观察计算结果，读取应力、应变等数据。章目录小节目录|3D-e教育建模塑性塑性是一种材料行为，在施加载荷的作用下，材料发生永久的变形。在比例极限下，材料表现为线性行为。在屈服点下，材料表现为弹性行为。一般对其进行简化，认为这两点重合。章目录小节目录|通过材料的材性实验得到材料的应力应变关系。3D-e教育建模塑性理论材料发生塑性变形的两类理论：增量理论、全量理论。增量理论描述的是应力增量和应变增量的数学关系。增量理论的三个基本组成部分：增量理论屈服准则流动准则硬化准则解决材料受三向应力的是否发生塑形变形的应力等效准则。塑性应变沿垂直于屈服面的方向发展。描述初始屈服准则如何随不断发展的塑性应变的变化而发生变化章目录小节目录|3D-e教育建模屈服准则在单向受力状态，通过比较其轴向应力与材料屈服应力，可以确定其是否屈服。在三向应力状态，则必须确定一个屈服准则。屈服准则是应力的单值度量，如果结构的应力状态和屈服准则已知，则可确定结构是否出现了塑性应变。常用的屈服准则：VonMisses屈服准则，其等效应力计算公式：屈服准则在主应力空间的表示为：当等效应力超出材料的屈服极限时，发生屈服。章目录小节目录|3D-e教育建模流动、硬化准则流动准则从屈服准则导出，表示为塑性应变沿垂直于屈服面的方向发展。硬化准则则描述初始屈服准则如何随不断发展的塑性应变的变化而发生变化，即如何修正屈服面。章目录小节目录|3D-e教育建模材料性质定义材料性质时：首先给出弹性材料的性质（弹性模量、泊松比）然后给出非线性材料性质GUI：MainMenuPreprocessorMaterial定义线性材料的弹性模量和泊松比定义材料的非线性性质章目录小节目录|3D-e教育建模单元类型在ANSYS中并不是所有的单元类型都支持塑性。如：BEAM3、BEAM4、SHELL63单元都为纯弹性单元。•对于相对小的应变情况，可以考虑采用附加位移模式的不协调单元，如平面42、实体45单元。•对于一般的大变形情况，考虑用有中间节点的单元类型，平面183、实体186、187单元。•另外，对于塑性分析，建议使用SHELL181、BEAM188、BEAM189单元。章目录小节目录|3D-e教育加载求解基本概念-载荷步、子步、平衡迭代载荷步：最高级，在一定“时间”范围内你明确定义的。假定载荷在载荷步内是线性变化的。子步：载荷增量，即在每一个载荷步内，为了逐步加载可以控制程序来执行多次求解（子步或时间步）。平衡迭代：为保证收敛，在每一个子步内程序所进行的一系列求解（平衡迭代）。章目录小节目录|3D-e教育加载求解基本概念-时间每一个载荷步和子步都与一个明确、唯一的“时间”值相对应。因此，子步也称为时间步。载荷步是通过“时间”施加的，如：time1；time2；······，即“时间”值是作为每一个载荷步的重点。每一个子步都有一个唯一的“时间”值对应，也可以激活自动时间步长，让ANSYS自动计算并控制载荷增量。对于速率无关的静态分析，可以采用任意的单位来定义“时间”。如果在载荷终点时间不指定任何值，则在每一个载荷步终点的“时间”认为是载荷步数。章目录小节目录|3D-e教育加载求解基本概念-时间GUI：MainMenuSolutionLoadStepOptsTime/FrequencTimeandSubstps载荷步时间子步数加载方式时间步长控制章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性分析的求解控制措施GUI：MainMenuSolutionSol’nControl1、时间、时间步选项2、方程求解器选择3、输出数据的管理4、设定重启动控制5、定义收敛误差6、控制平衡迭代次数7、增强求解收敛8、在不收敛情形下控制程序行为章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-自动求解控制关于非线性分析的求解控制很多，如何进行选择，这是一个值得仔细分析的问题。但是在大多数情况下，我们只需要比较简单的步骤就可以进行非线性分析。在默认状态下，自动求解控制处于自动激活状态。•提供全面、自动及智能的非线性工具设置，一般能获得有效的收敛解。•一般可以解决大部分非线性问题。•推荐首先选用该控制选项进行非线性分析，如果收敛，则OK；若收敛速度较慢、或者不收敛，通过调整求解选项去保证结果收敛。章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-自动求解控制在求解过程中，将会出现迭代历史的图形显示。章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-结果文件选项缺省时，程序只将最后一个子步的计算结果写入到结果文件中去。输出结果类型选择为动画、结构历史写出更多的子步结果章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-求解器ANSYS提供了5个求解器：ANSYS求解器波前求解器（默认）（Frontalsolver）稀疏矩阵直接求解器（Sparsesolver）雅可比共轭梯度求解器预置条件共轭梯度求解器（PCGsolver）不完全乔列斯基共轭梯度求解器直接求解器，适用于自由度在5万或50万以内的求解器；迭代求解器，能够处理自由度在5万~100万以上的大模型章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-非线性选项非线性选项主要作用是帮助控制收敛。收敛增加工具平衡迭代最大数蠕变选项收敛容差二分（后退）准则章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-收敛准则程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则、或者直到达到允许的平衡迭代的最大数〔NEQIT〕为止。收敛准则：通常基于力、位移中的一种或者两种。分析时可以采用缺省的收敛准则，也可以自己定义收敛准则。•以力为基础的收敛准则提供了收敛的绝对量度；•以位移为基础的收敛准则仅提供了表现收敛的相对量度。应当几乎总是使用力（力矩）收敛检查，同时可以使用位移（平动、转动）收敛进行检查。对于位移，程序将收敛检查建立在当前（i）和前面（i-1）次迭代之间的位移改变上。章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-收敛准则对于多数工程问题，采用缺省收敛准则进行分析，一般均能得到较好的结果。对于特殊受力情形，需要修改收敛准则:•加强、或放松收敛准则•增加力、力矩、平动、转动的收敛准则•改变收敛项的范数（无限、L1、L2）注：如果明确地定义了任何收敛准则（CNVTOL〕，缺省准则将“失效”。因此，一旦定义了位移收敛检查，必须再定义力收敛检查（使用多个CNVTOL命令来定义多个收敛准则）。章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-收敛准则GUI：MainMenuSolutionSol’nControl章目录小节目录|3D-e教育加载求解求解策略-最大迭代次数非线性分析的求解若不能在一个合理的平衡迭代数内收敛，程序将荷载进行二分并再次求解。可以指定平衡迭代次数。程序缺省值为15到26次迭代。设置最大迭代次数章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性求解－两个收敛工具两个加强的收敛工具•线性搜索（LineSearch）•预报器（Predictor）线性搜索对克服振荡收敛非常有效，使求解趋于稳定。但需要花费额外的计算时间。对解决超弹性、接触问题比较有效。缺省时，预报器打开，适用于大多数的情形。预报器通过对每一个子步的第一次平衡迭代结果预报自由度解而加快收敛。当非线性响应比较光滑时，预报器非常有用，并且可以加速收敛。如塑性分析。非线性响应不光滑时，打开预报器会导致发散，此时须关闭预报器章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性求解-后退选项如果一个子步收敛失败，程序将目前荷载进行二分并再次进行求解。缺省的后退控制适用于大多数情况。章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性求解-弧长法对于比例加载，若采用荷载增量法，一般只能得到结构的承受的最大承载能力（最大响应点），无法得到荷载下降点（变形最大值）。如果预料到结构在它的载荷历史内在某些点将变得物理意义上不稳定（结构的载荷—位移曲线的斜度将为0或负值），这是可以使用弧长法来帮助稳定数值求解。和其它分析过程基本一致，不同的有如下几点：•弧长法只对力控制的比例加载分析有效，不允许使用面荷载。•荷载因子将作用于所有的荷载。•施加的荷载应略高于（20％）特征值分析计算得到的临界荷载。章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性求解-弧长法弧长法只对静力分析有效，同时激活大位移效应（NLGEOM，ON）推荐使用缺省的求解控制。不要使用线性搜索（LNSRCH）、预报器（PRED）、自适应下降、自动时间步（AUTOTS，DELTIM）、时间（TIME）、或带弧长的时间积分（TIMINT）。结果文件中应写入足够多的子步结果（OUTRES），以便在时间历程处理器中检查位移结果数据。章目录小节目录|3D-e教育加载求解非线性求解－弧长法弧长的计算：ReferenceArc-LengthRadius=TotalLoad/Nsubstep上式中，Nsubstep为指定的子步数，采用较多的子步数可使计算结果更接近真实值，但也导致较