ANSYS 非线性分析命令解析

1ANSYS非线性分析命令解析ANSYS应用基于问题物理特性的自动求解控制方法，把各种非线性分析控制参数设置到合适的值。如果用户对这些设置不满意，还可以手工设置。下列命令的缺省设置已进行了优化处理：AUTOTSPREDMONITORDELTIMNROPTNEQITNSUBSTTINTPSSTIFCNVTOLCUTCONTROLKBCLNSRCHOPNCONTROLEQSLVARCLENCDWRITELSWRITE这些命令及其设置在将在后面讨论。参见《ANSYSCommandsReference》。如果用户选择自己的设置而不是ANSYS的缺省设置，或希望用以前版本的ANSYS的输入列表，则可用/SOLU模块的SOLCONTROL，OFF命令，或在/BATCH命令后用/CONFIG，NLCONTROL，OFF命令。参见SOLCONTROL命令的详细描述。ANSYS对下面的分析激活自动求解控制单场的非线性或瞬态结构以及固体力学分析，在求解自由度为UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的结合时；单场的非线性或瞬态热分析，在求解自由度为TEMP时；注意--本章后面讨论的求解控制对话框，不能对热分析做设置。用户必须应用标准的ANSYS求解命令或GUI来设置。2.2非线性静态分析步骤尽管非线性分析比线性分析变得更加复杂，但处理基本相同。只是在非线形分析的过程中，添加了需要的非线形特性。非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。如同任何静态分析，处理流程主要由以下主要步骤组成：建模；设置求解控制；设置附加求解控制；加载；2求解；考察结果。2.2.1建模这一步对线性和非线性分析基本上是一样的，尽管非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，参考§4《材料非线性分析》，和§6.1《单元非线性》。如果模型中包含大应变效应，应力─应变数据必须依据真实应力和真实(或对数)应变表示。参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》。在ANSYS中建立了模型后，应该设置求解控制(分析类型、分析选项、荷载步等)选项，施加荷载，最后求解。非线性分析与线性分析的不同之处是，前者需要许多荷载增量，并且总是需要平衡迭代。下面讨论一般过程。参见本章的例子。2.2.2设置求解控制设置求解控制包括定义分析类型、设置分析的常用选项和指定荷载步选项。在做结构非线性静态分析时，可以应用求解控制对话框来设置。该对话框对许多非线性静态分析提供了缺省设置。这样，用户需要的设置降低到最少。求解控制框的缺省设置，基本上与§2.1所述的自动求解控制的设置相同。由于求解控制对话框是非线性静态分析的推荐工具，我们在下面将详细论述，如用户不想用这个对话框(GUI：MainMenuSolution-AnalysisType-SolnControl)，可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单(GUI：MainMenuSolutionUnabridgedMenuoption)。求解控制对话框的概况，见《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.11。注意--对于非线性结构完全瞬态分析，建议应用求解控制对话框，但并不是必须如此，见§2.3。2.2.2.1求解控制对话框—进入选择(GUI：MainMenuSolution-AnalysisType-SolnControl)进入求解控制对话框。下面几节将论述这个求解对话框中的内容。对于其详细说明，可以在相应标签下，按HELP按钮进入帮助系统。2.2.2.2求解控制对话框--Basic标签求解控制对话框共有五个标签，其中最基本的选项位于第一个标签上，其他标签依此提供更高级的控制。进入对话框后，缺省的标签就是Basic标签。Basic标签中的内容，提供了ANSYS分析所需要的最少设置。如果用户对Basic标签中的设置满意，就不必调整其他标签中的更高级的设置。在按OK按钮以后，设置才作用于ANSYS数据库，并关闭对话框。3可用的Basic标签选项见表2-1。按HELP可得更多的说明。表2-1选项参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》指定分析类型[ANTYPE,NLGEOM]§1.2.6.1§3.16控制时间设置，包括:荷载步末的时间[TIME],自动时间步[AUTOTS],一个荷载步中的子步数[NSUBST或DELTIM]§2.4§2.7.1指定写入数据库中的结果数据[OUTRES]§2.7.4在非线性静态分析中的一些特殊考虑如下：1、在设置ANTYPE和NLGEOM时，如果是执行新的分析，选择LargeDisplacementStatic，但要记住并不是所有的非线性分析都产生大变形，见§3。如果想重启动一个已失败的非线性分析，选择RestartGurrentAnalysis。在第1荷载步以后(即在首次运行SOLVE命令后)，用户不能改变这个设置。通常用户要作一个新的分析，而不是重启动分析。重启动分析的讨论见《ANSYSBasicAnalysisGuide》。2、在进行时间设置时，记住这些选项可在任何荷载步改变。参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2。高级的时间/频率选项，参见§2.2.2.8。非线性分析要求在一个时间步上有多个子步，以使ANSYS能够逐渐地施加荷载，并取得精确解。NSUBST和DELTIM命令产生相同的效果(建立荷载步的开始、最小和最大时间步)，但互为倒数。NSUBST定义一个荷载步上的子步数，而DECTIM显式地定义时间步大小。如果自动时间步[AUTOTS]关闭，则起始子步大小用于整个荷载步。3、OUTRES控制结果文件(Jobname.RST)中的数据。缺省时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。结果文件只能写入1000个结果集(子步)，但用户可以用/CONFIG，NRES命令来增大这一限值，参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》。2.2.2.3求解控制对话框--Transient标签这个标签的内容是瞬态分析控制，只有在Basic标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，否则呈灰色。所以在这里不论述，参见§2.3。2.2.2.4求解控制对话框--SolnOptions标签这个标签设置的选项见表2-2。按本标签的HELP可得到更多的说明。表2-24选项参见指定方程求解器[EQSLV]§2.2.2.7.1《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.2-§3.10对多重启动指定参数[RESCONTROL]《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.16.22.2.2.5求解控制对话框--Nonlinear标签用Nonlinear标签设置的选项见表2-3。按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。表2-3选项参见激活线性搜索[LNSRCH]§2.2.2.8.5§2.4激活自由度求解预测[PRED]§2.2.2.8.4指定一个荷载步中的最大子步数[NEQIT]§2.2.2.8.3指定是否需要包括蠕变计算[RATE]§4.4§2.2.3.2.1设置收敛准则[CNVTOL]§2.2.2.8.2控制二分[CUTCONTROL]§2.2.2.8.62.2.2.6求解控制对话框--AdvancedNL标签用AdvancedNL标签设置的选项见表2-4。按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。表2-4选项参见指定分析终止准则[NCNV]§2.2.2.8.3激活和终止弧长法的控制§2.45[ARCLEN,ARCTRM]《ANSYSBasicAnalysisGuide》§22.2.2.7求解控制对话框--设置其他高级分析选项2.2.2.7.1方程求解器ANSYS的自动求解控制在大多数情况下，激活稀疏矩阵直接求解器(EQSLV，SPARSE)。这是缺省的求解器，除了在子结构分析的生成步骤外(这时用波前直接求解器)。其他选项包括波前直接求解器和PCG求解器。对于实体单元(如SOLID92或SOLID45)，使用PCG求解器可能更快，尤其是在三维模型中。如果用户采用PCG求解器，可以考虑用MSAVE命令降低内存应用。MSAVE命令对于线性材料特性的SOLID92单元，触发单元方法。为了应用这一命令，必须是小应变(NLGEOM,OFF)静力或完全瞬态分析。模型中不符合上述条件的其他部分，应用总体集成刚度矩阵来求解。对于符合上述条件的模型部分，用MSAVE,ON可能可节省70%的内存，但求解时间可能增加，这与计算机的配置和CPU速度有关。与ANSYS中的迭代求解器不同，稀疏矩阵求解器是一个强大的求解器。虽然PCG求解器能够求解不定矩阵方程，但在它碰到一个病态矩阵时，如果不能收敛，求解器将迭代至指定的迭代次数后停止迭代。在发生这种问题时，它触发二分。在完成二分后，如果矩阵是良态的，求解器继续求解。最后整个非线性荷载步可以得到求解。在结构非线性分析中，选择稀疏矩阵求解器，还是选择PCG求解器，可参照下面的建议：1、如果是梁、壳或者梁、壳、实体结构，选择稀疏矩阵求解器；2、如果是三维结构，而且自由度数相对较大(200000个自由度或以上)，选择PCG求解器；3、如果问题是病态(由不良单元形状引起)，或在模型的不同区域材料特性相差巨大，或者位移边界条件不足，选择稀疏矩阵求解器。2.2.2.8求解控制对话框--设置其他高级荷载步选项2.2.2.8.1自动时间步ANSYS的自动求解控制打开自动时间步长[AUTOTS，ON]。这一选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步(子步)长。在一个时间步的求解完成后，下一个时间步长的大小基于四种因素预计：在最近过去的时间步中使用的平衡迭代的数目(更多次的迭代成为时间步长减小的原因)；对非线性单元状态改变预测(当状态改变临近时减小时间步长)；塑性应变增加的大小；6蠕变增加的大小。2.2.2.8.2收敛准则程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则[CNVTOL](或者直到达到允许的平衡迭代的最大次数〔NEQIT〕。如果缺省的收敛准则不满意，可以自己定义收敛准则。ANSYS的自动求解控制应用等于0.5%的力(或力矩)的L2-范数容限(TOLER)，这对于大部分情况合适。在大多数情况下，除了进行力范数的检查外，还进行TOLER等于5%的位移L2-范数的检查。缺省时，程序将通过比较不平衡力的平方和的平方根（SRSS）与VALUE×TOLER的值来检查力(在包括转动自由度时，还有力矩)的收敛。VALUE的缺省值是所加载荷(或在施加位移时，Netwton-Raphson回复力)的SRSS，或MINREF(其缺省为0.001)，取较大者。如果SOLCONTROL，OFF，则对于力的收敛，TOLER的缺省值是0.001，而MINREF的缺省为1.0。用户应当几乎总是使用力收敛检查。可以添加位移(或者转动)收敛检查。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(Δu)上，Δu=ui-ui-1。注意─如果用户明确地定义了任何收敛准则[CNVTOL]，缺省准则将失效。因此，如果用户定义了位移收敛检查，用户将不得不再定义力收敛检查(使用多个CNVTOL命令来定义多个收敛准则)。使用严格的收敛准则将提高用户的结果的精度，但以更多次的平衡迭代为代价。如果用户想紧缩(或放松－但不推荐)收敛准则，用户应当改变TOLER一到两个数量级。一般地，用户应当继续使用VALUE的缺省值；也就是，通过调整TOLER，而不是VALUE，来改变收敛准则。用户应当确保MINREF=0.001的缺省值在用户的分析范围内有意义。如果应用某一单位系统，使荷载变得十分小，可能需要指定较小的MINREF值。在非线性分析中，不推荐把两个或多个不相连的结构放在一起分析，因为收敛检查试图把这些彼此不相连的结构联系起来，通常会产生不希望的残余力。在单一和多自由度系统中检查收敛要在单自由度系统中检查收敛，用户对这一个自由度计算出不平衡力，然后将这个值与给定的收敛准则(VALUE×TOLER)