ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析指南(一至三章

ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析指南(一到三章)屈服準則概念：1.理想彈性材料物體發(fā)生彈性變形時，應力與應變完全成線性關(guān)系，并可假定它從彈性變形過渡到塑性變形是突然的。2.理想塑性材料（又稱全塑性材料）材料發(fā)生塑性變形時不產(chǎn)生硬化的材料，這種材料在進入塑性狀態(tài)之后，應力不再增加，也即在中性載荷時即可連續(xù)產(chǎn)生塑性變形。3.彈塑性材料在研究材料塑性變形時，需要考慮塑性變形之前的彈性變形的材料這里可分兩種情況：.理想彈塑性材料在塑性變形時，需要考慮塑性變形之前的彈性變形，而不考慮硬化的材料，也即材料進入塑性狀態(tài)后，應力不再增加可連續(xù)產(chǎn)生塑性變形。.彈塑性硬化材料在塑性變形時，既要考慮塑性變形之前的彈性變形，又要考慮加工硬化的材料，這種材料在進入塑性狀態(tài)后，如應力保持不變，則不能進一步變形。只有在應力不斷增加，也即在加載條件下才能連續(xù)產(chǎn)生塑性變形。4.剛塑性材料在研究塑性變形時不考慮塑性變形之前的彈性變形。這又可分兩種情況：.理想剛塑性材料在研究塑性變形時，既不考慮彈性變形，又不考慮變形過程中的加工硬化的材料。.剛塑性硬化材料在研究塑性變形時，不考慮塑性變形之前的彈性變形，但需要考慮變形過程中的加工硬化材料。屈服準則的條件：1.受力物體內(nèi)質(zhì)點處于單向應力狀態(tài)時，只要單向應力大到材料的屈服點時，則該質(zhì)點開始由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，即處于屈服。2.受力物體內(nèi)質(zhì)點處于多向應力狀態(tài)時，必須同時考慮所有的應力分量。在一定的變形條件（變形溫度、變形速度等）下，只有當各應力分量之間符合一定關(guān)系時，質(zhì)點才開始進入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系稱為屈服準則，也稱塑性條件。它是描述受力物體中不同應力狀態(tài)下的質(zhì)點進入塑性狀態(tài)并使塑性變形繼續(xù)進行所必須遵守的力學條件，這種力學條件一般可表示為f（ij）C又稱為屈服函數(shù)，式中C是與材料性質(zhì)有關(guān)而與應力狀態(tài)無關(guān)的常數(shù)，可通過試驗求得。屈服準則是求解塑性成形問題必要的補充方程。1.1 什么是結(jié)構(gòu)非線性 在日常生活中，經(jīng)常會遇到結(jié)構(gòu)非線性。例如，當用釘書針釘書時，金屬釘書釘將永久地彎曲成一個不同的形狀( 圖1-1a )。如果你在一個木架上放置重物，隨著時間的推移木架將越來越下垂( 圖1-1b )。當在汽車或卡車上裝載貨物時，它的輪胎和下面路面間接觸面將隨貨物重量而變化( 圖1-1c )。如果將上述例子的載荷變形曲線畫出來，用戶將發(fā)現(xiàn)它們都顯示了非線性結(jié)構(gòu)的基本特征結(jié)構(gòu)剛度改變。圖1-1 結(jié)構(gòu)非線性行為的常見例子 引起結(jié)構(gòu)非線性的原因很多，它可以被分成三種主要類型：狀態(tài)改變、幾何非線性、材料非線性。1.1.1 狀態(tài)變化(包括接觸) 許多普通結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種與狀態(tài)相關(guān)的非線性行為。例如，一根只能拉伸的電纜可能是松的，也可能是繃緊的。軸承套可能是接觸的，也可能是不接觸的。凍土可能是凍結(jié)的，也可能是融化的。這些系統(tǒng)的剛度由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變而變化。狀態(tài)改變也許和載荷直接有關(guān)(如在電纜情況中)， 也可能由某種外部原因引起(如在凍土中的紊亂熱力學條件)。 接觸是一種很普遍的非線性行為。接觸是狀態(tài)變化非線性中一個特殊而重要的子集。參見第五章。1.1.2 幾何非線性 如果結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，它幾何形狀的變化可能會引起結(jié)構(gòu)的非線性響應。一個例子是 圖1-2 所示的釣魚桿。隨著垂向載荷的增加，桿不斷彎曲以致于力臂明顯地減少，導致桿端顯示出在較高載荷下不斷增長的剛性。幾何非線性的特點是大位移、大轉(zhuǎn)動。圖1-2 釣魚桿體現(xiàn)的幾何非線性1.1.3 材料非線性 非線性的應力應變關(guān)系是結(jié)構(gòu)非線性行為的常見原因。許多因素可以影響材料的應力應變性質(zhì)，包括加載歷史(如在彈塑性響應情況下)、環(huán)境狀況(如溫度)、加載的時間總量(如在蠕變響應情況下)。1.2 非線性分析的基本知識1.2.1 方程求解 ANSYS程序的方程求解器計算一系列的聯(lián)立線性方程來預測工程系統(tǒng)的響應。然而，非線性結(jié)構(gòu)的行為不能直接用這樣一系列的線性方程表示。需要一系列的帶校正的線性近似來求解非線性問題。一種近似的非線性求解是將載荷分成一系列的載荷增量?？梢栽趲讉€載荷步內(nèi)或者在一個載荷步的幾個子步內(nèi)施加載荷增量。在每一個增量的求解完成后，繼續(xù)進行下一個載荷增量之前程序調(diào)整剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線性變化。但是，純粹的增量近似不可避免地要隨著每一個載荷增量積累誤差，導種結(jié)果最終失去平衡，如 圖1 - 3 （a） 所示。. （b）純粹增量式解 （b）全牛頓拉普森迭代求解（2個載荷增量）圖1-3 純粹增量近似與牛頓拉普森近似。ANSYS程序通過使用牛頓拉普森平衡迭代克服了這種困難，它迫使在每一個載荷增量的末端解達到平衡收斂（在某個容限范圍內(nèi)）。 圖1 - 3 （b） 描述了在單自由度非線性分析中牛頓拉普森平衡迭代的使用。在每次求解前，NR方法估算出殘差矢量，這個矢量是回復力（對應于單元應力的載荷）和所加載荷的差值，然后使用非平衡載荷進行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準則，重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解。持續(xù)這種迭代過程直到問題收斂。 ANSYS程序提供了一系列命令來增強問題的收斂性，如自適應下降、線性搜索、自動載荷步長及二分等，可被激活來加強問題的收斂性，如果不能得到收斂，那么程序或者繼續(xù)計算下一個載荷步或者終止（依據(jù)你的指示）。 對某些物理意義上不穩(wěn)定系統(tǒng)的非線性靜態(tài)分析，如果你僅僅使用NR方法，正切剛度矩陣可能變?yōu)榻抵榷剃?，導致嚴重的收斂問題。這樣的情況包括獨立實體從固定表面分離的靜態(tài)接觸分析、結(jié)構(gòu)或者完全崩潰或者“突然通過”至另一個穩(wěn)定形狀的非線性屈曲問題。對這樣的情況，可以激活另外一種迭代方法：弧長方法，來幫助穩(wěn)定求解。弧長方法導致NR平衡迭代沿一段弧收斂，從而即使正切剛度矩陣的斜率為零或負值，也往往阻止發(fā)散。這種迭代方法以圖形表示在 圖 1 - 4 中。圖1-4 傳統(tǒng)的NR方法與弧長方法的比較分線性求解被分成三個操作級別：載荷步、子步、平衡迭代。 頂層級別由在一定“時間”范圍內(nèi)用戶明確定義的載荷步組成，假定載荷在載荷步內(nèi)線性地變化。見ANSYS Basic Analysis Guide2。 在每一個載荷時步內(nèi)，為了逐步加載，可以控制程序來執(zhí)行多次求解(子步或時間步)。 在每一個子步內(nèi)，程序?qū)⑦M行一系列的平衡迭代以獲得收斂的解。 圖 1-5 說明了一段用于非線性分析的典型的載荷歷史。參見ANSYS Basic Analysis Guide2。圖1-5 載荷步、子步及時間 當用戶確定收斂準則時，ANSYS程序給出一系列的選擇：可以將收斂檢查建立在力、力矩、位移、轉(zhuǎn)動或這些項目的任意組合上。 另外，每一個項目可以有不同的收斂容限值。對多自由度問題，還有收斂范數(shù)的選擇。 當用戶確定收斂準則時，應該總是選擇以力(或力矩)為基礎(chǔ)的準則，它提供了收斂的絕對量度。如果需要也可以位移為基礎(chǔ)(或以轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的)進行收斂檢查，但是通常不單獨使用它們。1.2.2 保守行為與非保守行為過程依賴性 如果通過外載輸入系統(tǒng)的總能量當載荷移去時復原，我們說這個系統(tǒng)是保守的。如果能量被系統(tǒng)消耗(如由于塑性應變或滑動摩擦)，我們說系統(tǒng)是非保守的，一個非保守系統(tǒng)的例子如 圖1-6 所示。圖1-6 非保守(過程相關(guān))過程 一個保守系統(tǒng)的分析是與過程無關(guān)的：通常可以任何順序和以任何數(shù)目的增量加載而不影響最終結(jié)果。相反地，一個非保守系統(tǒng)的分析是過程相關(guān)的；必須緊緊跟隨系統(tǒng)的實際加載歷史，才能獲得精確的結(jié)果。如果對于給定的載荷范圍，可以有多于一個的解是有效的(如在躍變分析中)，這樣的分析也可能是過程相關(guān)的。過程相關(guān)問題通常要求緩慢加載(也就是使用許多子步)到最終的載荷值。1.2.3 子步 當使用多個子步時，用戶需要考慮精度和代價之間的平衡；更多的子步(也就是較小的時間步)通常導致較好的精度，但以增加運行時間為代價。ANSYS提供的自動時間步選項可用于這一目的。 用戶可以激活自動時間步，以便根據(jù)需要調(diào)整時間步長，獲得精度和代價之間的良好平衡。自動時間步激活ANSYS程序的二分功能。 二分法提供了一種對收斂失敗自動矯正的方法。無論何時只要平衡迭代收斂失敗，二分法將把時間步長分成兩半，然后從最后收斂的子步自動重啟動。如果已二分的時間步再次收斂失敗，二分法將再次分割時間步長然后重啟動，持續(xù)這一過程直到獲得收斂或到達最小時間步長(由用戶指定)。1.2.4 載荷和位移方向 當結(jié)構(gòu)經(jīng)歷大變形時，應該考慮到載荷將發(fā)生了什么變化。在許多情況中，無論結(jié)構(gòu)如何變形，施加在系統(tǒng)中的載荷保持恒定的方向。而在另一些情況中，力將改變方向，隨著單元方向的改變而變化。 ANSYS程序根據(jù)所施加的載荷類型，可以模擬這兩種情況。加速度和集中力將不管單元方向的改變，而保持它們最初的方向。表面載荷作用在變形單元表面的法向，且可被用來模擬“跟隨”力。 圖1-7 說明了方向不變的力和跟隨力。 注意 在大變形分析中，結(jié)點坐標系方向不變。因此計算出的位移在最初的方向上輸出。 圖1-7 變形前后載荷方向1.2.5 非線性瞬態(tài)分析非線性瞬態(tài)分析方法，與線性靜態(tài)分析方法相似：以荷載增量加載，程序在每一步中進行平衡迭代。靜態(tài)和瞬態(tài)處理的主要不同是在瞬態(tài)過程分析中要激活時間積分效應。因此，在瞬態(tài)過程分析中，“時間”總是表示實際的時序。自動時間步長和二分特點同樣也適用于瞬態(tài)過程分析。2.1 在ANSYS中執(zhí)行非線性分析 ANSYS應用基于問題物理特性的自動求解控制方法，把各種非線性分析控制參數(shù)設(shè)置到合適的值。如果用戶對這些設(shè)置不滿意，還可以手工設(shè)置。下列命令的缺省設(shè)置已進行了優(yōu)化處理：AUTOTS PRED MONITOR DELTIM NROPT NEQIT NSUBST TINTP SSTIF CNVTOL CUTCONTROL KBC LNSRCH OPNCONTROL EQSLV ARCLEN CDWRITE LSWRITE 這些命令及其設(shè)置在將在后面討論。參見ANSYS Commands Reference。 如果用戶選擇自己的設(shè)置而不是ANSYS的缺省設(shè)置，或希望用以前版本的ANSYS的輸入列表，則可用/ SOLU 模塊的 SOLCONTROL ，OFF命令，或在/ BATCH 命令 后用/ CONFIG ，NLCONTROL，OFF命令。參見 SOLCONTROL 命令的詳細描述。 ANSYS對下面的分析激活自動求解控制： 單場的非線性或瞬態(tài)結(jié)構(gòu)以及固體力學分析，在求解自由度為UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的結(jié)合時； 單場的非線性或瞬態(tài)熱分析，在求解自由度為TEMP時； 注意 - 本章后面討論的求解控制對話框，不能對熱分析做設(shè)置。用戶必須應用標準的ANSYS求解命令或GUI來設(shè)置。 2.2 非線性靜態(tài)分析步驟 盡管非線性分析比線性分析變得更加復雜，但處理基本相同。只是在非線形分析的過程中，添加了需要的非線形特性。 非線性靜態(tài)分析是靜態(tài)分析的一種特殊形式。如同任何靜態(tài)分析，處理流程主要由以下主要步驟組成： 建模； 設(shè)置求解控制； 設(shè)置附加求解控制； 加載； 求解； 考察結(jié)果。2.2.1 建模 這一步對線性和非線性分析基本上是一樣的，盡管非線性分析在這一步中可能包括特殊的單元或非線性材料性質(zhì)，參考4材料非線性分析，和6.1單元非線性。如果模型中包含大應變效應，應力應變數(shù)據(jù)必須依據(jù)真實應力和真實(或?qū)?shù))應變表示。參見ANSYS Modeling and Meshing Guide。 在ANSYS中建立了模型后，應該設(shè)置求解控制(分析類型、分析選項、荷載步等)選項，施加荷載，最后求解。非線性分析與線性分析的不同之處是，前者需要許多荷載增量，并且總是需要平衡迭代。下面討論一般過程。參見本章的例子。2.2.2 設(shè)置求解控制 設(shè)置求解控制包括定義分析類型、設(shè)置分析的常用選項和指定荷載步選項。在做結(jié)構(gòu)非線性靜態(tài)分析時，可以應用求解控制對話框來設(shè)置。該對話框?qū)υS多非線性靜態(tài)分析提供了缺省設(shè)置。這樣，用戶需要的設(shè)置降低到最少。求解控制框的缺省設(shè)置，基本上與2.1所述的自動求解控制的設(shè)置相同。由于求解控制對話框是非線性靜態(tài)分析的推薦工具，我們在下面將詳細論述，如用戶不想用這個對話框(GUI：Main MenuSolution-Analysis Type-Soln Control)，可以應用標準的ANSYS求解命令集或相應的菜單(GUI：Main Menu SolutionUnabridged Menuoption)。求解控制對話框的概況，見ANSYS Basic Analysis Guide3.11。 注意 - 對于非線性結(jié)構(gòu)完全瞬態(tài)分析，建議應用求解控制對話框，但并不是必須如此，見2.3。 2.2.2.1 求解控制對話框進入 選擇(GUI：Main MenuSolution-Analysis Type-Soln Control)進入求解控制對話框。下面幾節(jié)將論述這個求解對話框中的內(nèi)容。對于其詳細說明，可以在相應標簽下，按HELP按鈕進入幫助系統(tǒng)。2.2.2.2 求解控制對話框-Basic標簽 求解控制對話框共有五個標簽，其中最基本的選項位于第一個標簽上，其他標簽依此提供更高級的控制。進入對話框后，缺省的標簽就是 Basic標簽。 Basic標簽中的內(nèi)容，提供了ANSYS分析所需要的最少設(shè)置。如果用戶對Basic標簽中的設(shè)置滿意，就不必調(diào)整其他標簽中的更高級的設(shè)置。在按OK按鈕以后，設(shè)置才作用于ANSYS數(shù)據(jù)庫，并關(guān)閉對話框。 可用的Basic標簽選項見 表2-1 。按HELP可得更多的說明。表2-1選項 參見ANSYS Basic Analysis Guide指定分析類型 ANTYPE , NLGEOM 1.2.6.1 3.16控制時間設(shè)置，包括:荷載步末的時間 TIME , 自動時間步 AUTOTS ,一個荷載步中的子步數(shù) NSUBST 或 DELTIM 2.4 2.7.1指定寫入數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果數(shù)據(jù) OUTRES 2.7.4 在非線性靜態(tài)分析中的一些特殊考慮如下： 1、在設(shè)置 ANTYPE 和 NLGEOM 時，如果是執(zhí)行新的分析，選擇Large Displacement Static，但要記住并不是所有的非線性分析都產(chǎn)生大變形，見3。如果想重啟動一個已失敗的非線性分析，選擇Restart Gurrent Analysis。在第1荷載步以后(即在首次運行 SOLVE 命令后)，用戶不能改變這個設(shè)置。通常用戶要作一個新的分析，而不是重啟動分析。重啟動分析的討論見ANSYS Basic Analysis Guide。 2、在進行時間設(shè)置時，記住這些選項可在任何荷載步改變。參見ANSYS Basic Analysis Guide2。高級的時間/頻率選項，參見2.2.2.8。非線性分析要求在一個時間步上有多個子步，以使ANSYS能夠逐漸地施加荷載，并取得精確解。 NSUBST 和 DELTIM 命令產(chǎn)生相同的效果(建立荷載步的開始、最小和最大時間步)，但互為倒數(shù)。 NSUBST 定義一個荷載步上的子步數(shù)，而 DECTIM 顯式地定義時間步大小。如果自動時間步 AUTOTS 關(guān)閉，則起始子步大小用于整個荷載步。 3、 OUTRES 控制結(jié)果文件(Jobname.RST)中的數(shù)據(jù)。缺省時，在非線性分析中把最后一個子步的結(jié)果寫入此文件。結(jié)果文件只能寫入1000個結(jié)果集(子步)，但用戶可以用 / CONFIG ，NRES 命令來增大這一限值，參見ANSYS Basic Analysis Guide。2.2.2.3 求解控制對話框-Transient標簽 這個標簽的內(nèi)容是瞬態(tài)分析控制，只有在Basic標簽中選擇了瞬態(tài)分析時這個標簽才能應用，否則呈灰色。所以在這里不論述，參見2.3。2.2.2.4 求解控制對話框-Soln Options標簽 這個標簽設(shè)置的選項見 表2-2 。按本標簽的HELP可得到更多的說明。表2-2選項 參見指定方程求解器 EQSLV 2.2.2.7.1 ANSYS Basic Analysis Guide3.2-3.10對多重啟動指定參數(shù) RESCONTROL ANSYS Basic Analysis Guide3.16.22.2.2.5 求解控制對話框-Nonlinear標簽 用Nonlinear標簽設(shè)置的選項見 表2-3 。按HELP按鈕進入幫助系統(tǒng)可得到更多的說明。表2-3選項參見激活線性搜索 LNSRCH 2.2.2.8.5 2.4激活自由度求解預測 PRED 2.2.2.8.4指定一個荷載步中的最大子步數(shù) NEQIT 2.2.2.8.3指定是否需要包括蠕變計算 RATE 4.4 2.2.3.2.1設(shè)置收斂準則 CNVTOL 2.2.2.8.2控制二分 CUTCONTROL 2.2.2.8.62.2.2.6 求解控制對話框-Advanced NL標簽 用 Advanced NL 標簽設(shè)置的選項見 表2-4 。按HELP按鈕進入幫助系統(tǒng)可得到更多的說明。表2-4選項參見 指定分析終止準則 NCNV 2.2.2.8.3激活和終止弧長法的控制 ARCLEN , ARCTRM 2.4 ANSYS Basic Analysis Guide22.2.2.7 求解控制對話框-設(shè)置其他高級分析選項2.2.2.7.1 方程求解器 ANSYS的自動求解控制在大多數(shù)情況下，激活稀疏矩陣直接求解器( EQSLV ，SPARSE)。這是缺省的求解器，除了在子結(jié)構(gòu)分析的生成步驟外(這時用波前直接求解器)。其他選項包括波前直接求解器和PCG求解器。對于實體單元(如SOLID92或SOLID45)，使用PCG求解器可能更快，尤其是在三維模型中。 如果用戶采用PCG求解器，可以考慮用 MSAVE 命令降低內(nèi)存應用。 MSAVE 命令對于線性材料特性的SOLID92單元，觸發(fā)單元方法。為了應用這一命令，必須是小應變( NLGEOM ,OFF)靜力或完全瞬態(tài)分析。模型中不符合上述條件的其他部分，應用總體集成剛度矩陣來求解。對于符合上述條件的模型部分，用 MSAVE ,ON 可能可節(jié)省70%的內(nèi)存，但求解時間可能增加，這與計算機的配置和CPU速度有關(guān)。 與ANSYS中的迭代求解器不同，稀疏矩陣求解器是一個強大的求解器。雖然PCG求解器能夠求解不定矩陣方程，但在它碰到一個病態(tài)矩陣時，如果不能收斂，求解器將迭代至指定的迭代次數(shù)后停止迭代。在發(fā)生這種問題時，它觸發(fā)二分。在完成二分后，如果矩陣是良態(tài)的，求解器繼續(xù)求解。最后整個非線性荷載步可以得到求解。 在結(jié)構(gòu)非線性分析中，選擇稀疏矩陣求解器，還是選擇PCG求解器，可參照下面的建議： 1、如果是梁、殼或者梁、殼、實體結(jié)構(gòu)，選擇稀疏矩陣求解器； 2、如果是三維結(jié)構(gòu)，而且自由度數(shù)相對較大(個自由度或以上)，選擇PCG求解器； 3、如果問題是病態(tài)(由不良單元形狀引起)，或在模型的不同區(qū)域材料特性相差巨大，或者位移邊界條件不足，選擇稀疏矩陣求解器。2.2.2.8 求解控制對話框-設(shè)置其他高級荷載步選項2.2.2.8.1 自動時間步 ANSYS的自動求解控制打開自動時間步長 AUTOTS ，ON。這一選項允許程序確定子步間載荷增量的大小和決定在求解期間是增加還是減小時間步(子步)長。 在一個時間步的求解完成后，下一個時間步長的大小基于四種因素預計： 在最近過去的時間步中使用的平衡迭代的數(shù)目(更多次的迭代成為時間步長減小的原因)； 對非線性單元狀態(tài)改變預測(當狀態(tài)改變臨近時減小時間步長)； 塑性應變增加的大??； 蠕變增加的大小。2.2.2.8.2 收斂準則 程序?qū)⑦B續(xù)進行平衡迭代直到滿足收斂準則 CNVTOL (或者直到達到允許的平衡迭代的最大次數(shù) NEQIT 。如果缺省的收斂準則不滿意，可以自己定義收斂準則。 ANSYS的自動求解控制應用等于0.5%的力(或力矩)的L2-范數(shù)容限(TOLER)，這對于大部分情況合適。在大多數(shù)情況下，除了進行力范數(shù)的檢查外，還進行TOLER等于5%的位移L2-范數(shù)的檢查。 缺省時，程序?qū)⑼ㄟ^比較不平衡力的平方和的平方根（SRSS）與VALUETOLER的值來檢查力(在包括轉(zhuǎn)動自由度時，還有力矩)的收斂。 VALUE 的缺省值是所加載荷(或在施加位移時，Netwton-Raphson回復力)的SRSS，或 MINREF (其缺省為0.001)，取較大者。如果 SOLCONTROL ，OFF，則對于力的收斂， TOLER 的缺省值是0.001，而 MINREF 的缺省為1.0。 用戶應當幾乎總是使用力收斂檢查。可以添加位移(或者轉(zhuǎn)動)收斂檢查。對于位移，程序?qū)⑹諗繖z查建立在當前(i)和前面(i-1)次迭代之間的位移改變(u)上，u =u i -u i-1 。 注意 如果用戶明確地定義了任何收斂準則 CNVTOL ，缺省準則將失效。因此，如果用戶定義了位移收斂檢查，用戶將不得不再定義力收斂檢查(使用多個 CNVTOL 命令來定義多個收斂準則)。 使用嚴格的收斂準則將提高用戶的結(jié)果的精度，但以更多次的平衡迭代為代價。如果用戶想緊縮(或放松但不推薦)收斂準則，用戶應當改變 TOLER 一到兩個數(shù)量級。一般地，用戶應當繼續(xù)使用VALUE的缺省值；也就是，通過調(diào)整TOLER，而不是VALUE，來改變收斂準則。用戶應當確保MINREF=0.001的缺省值在用戶的分析范圍內(nèi)有意義。如果應用某一單位系統(tǒng)，使荷載變得十分小，可能需要指定較小的MINREF值。 在非線性分析中，不推薦把兩個或多個不相連的結(jié)構(gòu)放在一起分析，因為收斂檢查試圖把這些彼此不相連的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，通常會產(chǎn)生不希望的殘余力。在單一和多自由度系統(tǒng)中檢查收斂 要在單自由度系統(tǒng)中檢查收斂，用戶對這一個自由度計算出不平衡力，然后將這個值與給定的收斂準則(VALUETOLER)比較 (同樣也可以對單自由度的位移或旋轉(zhuǎn)收斂進行類似的檢查)。然而，在多自由度系統(tǒng)中，用戶也許想使用不同的比較方法。 ANSYS程序提供三種不同的矢量范數(shù)用于收斂檢查： 無窮范數(shù)在用戶模型中的每一個自由度處重復單自由度檢查； L1范數(shù)將收斂準則同所有自由度的不平衡力(或力矩)的絕對值的總和相比較； L2范數(shù)使用所有自由度不平衡力(或力矩)的SRSS進行收斂檢查。當然，對于位移收斂檢查，可以執(zhí)行附加的L1、L2檢查。實例 對于下面例子，如果不平衡力(在每一個自由度處單獨檢查)小于或等于50000.0005(也就是2.5)，且如果位移的改變(以SRSS檢查)小于或等于100.001(也就是0.01)，子步將認為是收斂的。 CNVTOL，F(xiàn)，5000，0.0005，0 CNVTOL，U，10，0.001，22.2.2.8.3 平衡迭代的最大次數(shù) ANSYS的自動求解控制把NEQIT的值，根據(jù)問題的物理特性，設(shè)置為15到26次平衡迭代。應用小時間步，可減少二次收斂迭代次數(shù)。 這個選項限制了一個子步中進行的最大平衡迭代次數(shù)(如關(guān)閉求解控制，缺省=25)。如果在這個平衡迭代次數(shù)之內(nèi)不能滿足收斂準則，且如果自動步長是打開的 AUTOTS ，分析將嘗試使用二分法。如果二分法是不可能的，那么，分析將或者終止，或者進行下一個載荷步，依據(jù)用戶在 NCNV 命令中發(fā)出的指示。2.2.2.8.4 預測修正選項 如不存在梁或殼單元，ANSYS的自動求解控制設(shè)置 PRED ，ON。如果當前子步的步長大大減小，PRED將關(guān)閉。對于瞬態(tài)分析，將關(guān)閉預測選項。 對于每一個子步的第一次平衡迭代，用戶可以激活自由度求解的預測。這個特點將加速收斂，且如果非線性響應是相對平滑的，它特別的有用。在包含大轉(zhuǎn)動或粘彈的分析中它并不是非常有用。在大轉(zhuǎn)動分析中，預測可能引起發(fā)散，因而不推薦使用。2.2.2.8.5 線性搜索選項 ANSYS的自動求解控制，將根據(jù)需要關(guān)閉或打開線性搜索。對大多數(shù)接觸問題， LNSRCH 打開。對大多數(shù)非接觸問題， LNSRCH 關(guān)閉。 這個收斂增強工具用程序計算出的比例因子(具有0和1之間的值)乘以計算出的位移增量。因為線性搜索算法是用來對自適應下降選項 NROPT 進行的替代，如果線性搜索選項是開，自適應下降不被自動激活。不建議用戶同時激活線性搜索和自適應下降。 當存在強制位移時，只有至少有一次迭代的線性搜索值為1，計算才可以收斂。ANSYS調(diào)節(jié)整個U矢量，包括強制位移值，否則，除了強制自由度處以外，一個小的位移值將隨處發(fā)生。直到迭代中的某一次具有1的線性搜索值，ANSYS才施加全部位移值。2.2.2.8.6 步長縮減準則 為了更好地控制時間步長上的二分和縮減，應用 CUTCONTROL ， Lab ,VALUE,Option。缺省時，對于 Lab =PLSLIMIT(最大塑性應變增量極限)，VALUE設(shè)置為15%。設(shè)這么大的值，是為避免由高塑性應變引起的不必要的二分，因為高塑性應變可能是由用戶并不感興趣的局部奇異引起。對于顯式蠕變(Option=0),Lab=CRPLIM(蠕變增量極限)，VALUE設(shè)置為10%。這對蠕變分析是一個合理的極限。對于隱式蠕變(Option=1),缺省為無最大蠕變準則。但是用戶可以指定蠕變率控制。對于二階動力方程，每個周期的點數(shù)(Lab=NPOINT)，缺省為VALUE=13，這樣可以很小的代價獲得有效精度。2.2.3 設(shè)置附加求解選項 本節(jié)論述的選項，不出現(xiàn)在求解對話框中。這些選項的缺省值，一般很少需要改變。2.2.3.1 求解控制對話框不能設(shè)置的高級分析選項2.2.3.1.1 應力剛化效應 為了考慮屈曲、分叉行為，ANSYS在所有幾何非線性分析中，包括了應力剛化。如果用戶有信心放棄這種效應，則可以關(guān)閉應力剛化效應( SSTIF ，OFF)。在一些單元中，這個命令無作用，見ANSYS Elements Reference。 命令： SSTIF GUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options2.2.3.1.2 牛頓拉普森選項 在存在非線性時，ANSYS的自動求解控制將應用自適應下降關(guān)閉的完全牛頓拉普森選項。但在應用點-點，點-面接觸單元的摩擦接觸分析中，自適應下降功能是自動打開的（如CONTAC12、CONTAC48、CONTAC49、CONTAC52單元）。下伏接觸單元需要自適應下降才能收斂。 命令： NROPT GUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Options 僅在非線性分析中使用這個選項。這個選項指定在求解期間每隔多久修改一次正切矩陣。如果用戶不想采用缺省值，可以指定這些值中的一個： 程序選擇( NROPT ,ANTO)：程序基于用戶模型中存在的非線性種類選用這些選項中的一個。需要時牛頓拉普森方法將自動激活自適應下降。 完全牛頓拉普森法( NROPT ,FULL)；程序使用完全的牛頓拉普森方法。在這種處理方法中，每進行一次平衡迭代，就修改剛度矩陣一次。 如果自適應下降是打開(可選)，只要迭代保持穩(wěn)定(也就是只要殘余項減小，且沒有負主對角線出現(xiàn))，程序?qū)H使用正切剛度陣。如果在一次迭代中探測到發(fā)散傾向，程序拋棄發(fā)散的迭代且重新開始求解，應用正切和正割剛度矩陣的加權(quán)組合。當?shù)氐绞諗磕Ｊ綍r，程序?qū)⒅匦麻_始使用正切剛度矩陣。對復雜的非線性問題自適應下降通常將提高程序獲得收斂的能力，但它只支持ANSYS Element Reference中由單元輸入?yún)R總表中的“Special Features”指明的單元(見ANSYS Element Reference表4.n.1，其中n為單元編號)。 修正的牛頓拉普森法( NROPT ,MODI)：使用修正的牛頓拉普森方法。在這種方法中，正切剛度矩陣在每一子步中都被修正。在一個子步的平衡迭代期間矩陣不被改變。這個選項不適用于大變形分析。自適應下降不可用。 初始剛度牛頓拉普森法( NROPT ,INIT)：在每一次平衡迭代中都使用初始剛度矩陣。這一選項比完全選項似乎較不易發(fā)散，但它經(jīng)常要求更多次的迭代來得到收斂。它不適用于大變形分析。自適應下降不可用。 不對稱矩陣完全牛頓拉普森方法 ( NROPT ,UNSYM)：應用完全牛頓拉普森方法，剛度矩陣在每一次平衡迭代中都修正。此外，它生成并使用在下面任何一種情況中可以應用的不對稱矩陣： 如用戶在運行壓力產(chǎn)生的破壞分析，不對稱的壓力荷載剛度可能有助于取得收斂?？蓱?SOLCONTROL ,INCP 命令來包括荷載剛度。 如果應用 TB ,USER 命令定義不對稱材料模型，則需要用 NROPT ,UNSYM 命令來充分應用所定義的特性。 如進行接觸分析，不對稱接觸剛度矩陣可以完全地耦合滑動和法向剛度。見5.4。用戶應首先試驗 NROPT ,FULL 命令；然后如果收斂困難的話，再試驗 NROPT ,UNSYM 命令。注意，應用不對稱求解器需要比對稱求解器更多的計算機時間。 如果模型有多態(tài)單元，則將在狀態(tài)改變時進行疊代修正，而不管牛頓拉普森選項設(shè)置如何。2.2.3.2 求解控制對話框不能設(shè)置的高級荷載步選項2.2.3.2.1 蠕變準則 如果結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出蠕變行為，可以指定蠕變準則用于自動時間步調(diào)整 CRPLIM , CRCR , Option (如果自動時間步長 AUTOTS 關(guān)閉，蠕變準則無效)。程序?qū)λ袉卧嬎闳鋺冊隽?在最近時間步中蠕變的變化 cr )對彈性應變 el 的比值。如果最大比值比判據(jù) CRCR 大，程序?qū)p小下一個時間步長；如果小，程序或許增加下一個時間步長(同樣，程序?qū)炎詣訒r間步長建立在平衡迭代次數(shù)、即將發(fā)生的單元狀態(tài)改變以及塑性應變增量的基礎(chǔ)上。時間步長將被調(diào)整到對應這些項目中的任何一個所計算出的最小值)。對于顯式蠕變( OPTION =0)，如果比值 cr/ el 高于0.25的穩(wěn)定界限，且如果時間增量不能被減小，解可能發(fā)散且分析將由于錯誤信息而終止。這個問題可以通過使最小時間步長足夠小來避免 DELTIM 和 NSUBST 。對于隱式蠕變( OPTION =1)，缺省無最大蠕變極限，但用戶可以指定任意的蠕變率控制。 命令： CRPLIM GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts- NonlinearCreep Criterion 注意 -如果在分析中不需要包括蠕變效應，則應用 RATE 命令及 Option=OFF，或把時間步設(shè)置成比前一個時間步長些，但不大于1.0e-6。2.2.3.2.2 時間步開放控制 這個選項可用于熱分析(記住用戶不能通過求解控制對話框來設(shè)置熱分析選項，必須用ANSYS標準命令集或相應菜單來設(shè)置)。這個選項的主要應用是最終溫度達到穩(wěn)態(tài)的非穩(wěn)態(tài)熱分析。在這種情況下，時間步可很快開放。其缺省值是，如果TEMP增量在三個連續(xù)子步中小于0.1(NUMSTEP=3)，則時間步大小可以為“開放”(缺省值=0.1)。然后時間步被連續(xù)增加以加快求解效率，。 命令： OPNCONTROL GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts- NonlinearOpen Control2.2.3.2.3 求解監(jiān)視 這個選項為監(jiān)視指定節(jié)點上的指定自由度的求解值提供了方便。這個命令為用戶快速觀察求解收斂效率提供了可能，而不必通過冗長的輸出文件來取得這些信息。例如，在一個子步上嘗試次數(shù)過大，這個文件包含的信息將提供指示：要么降低初始時間步，要么增加最小的子步數(shù)，這可通過 NSUBST 命令來避免二分次數(shù)過多。 命令： MONITOR GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-NonlinearMonitor2.2.3.2.4 激活和殺死選項 根據(jù)需要指定“生”、“死”選項。對選定的單元，可以“殺死” EKILL 和“激活” EALIVE ，以模擬在結(jié)構(gòu)中移走或添加材料。作為標準的“生”、“死”方法以外的另一個方法，用戶可以對所選擇的單元在荷載步之間改變材料特性 MPCHG 。 命令： EKILL EALIVE GUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherKill Elements Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherActivate Elem 程序通過用一個非常小的數(shù)(它由 ESTIF 命令設(shè)置)乘以它的剛度并從總質(zhì)量矩陣消去它的質(zhì)量來“殺死”一個單元。對殺死單元的單元載荷(壓力、熱通量、熱應變等等)同樣地設(shè)置為零。用戶需要在前處理中定義所有可能的單元，用戶不可能在 SOLUTION 中產(chǎn)生新的單元。要在用戶的分析的后面階段中“激活”的那些單元，在第一個載荷步前應當被“殺死”，然后在適當?shù)妮d荷步的開始被重新“激活”。當單元被重新“激活”時，它們具有零應變狀態(tài)，且(如果 NLGEOM ,ON )它們的幾何構(gòu)形(長度、面積等等) 被修改來與它們現(xiàn)在變形后的位置相適應。參見ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide。另一個在求解過程中影響單元行為的方法是修改選定單元的材料特性： 命令： MPCHG GUI：Main MenuSolution-Load Step Opts-OtherChange Mat PropsChange Mat Num 注意 -應用 MPCHG 是要注意。在求解期間改變它的材料性質(zhì)參考號，可能產(chǎn)生不希望的結(jié)果，特別是如果用戶改變材料非線性特性 TB 。2.2.3.2.5 輸出控制選項 除了可以通過求解控制對話框可以設(shè)置的 OUTRES 外，用戶還可以設(shè)置其他輸出選項。 命令： OUTPR ERESX GUI：Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout Main MenuSolutionUnabridged Menu-Load Step Opts-Output CtrlsIntegration Pt 打印輸出選項 OUTPR 可在輸出文件( Jobname . OUT )中包括所想要的任何結(jié)果數(shù)據(jù)。 結(jié)果外推 ERESX 拷貝一個單元的積分點應力和彈性應變結(jié)果到結(jié)點來替代外推，如果在單元中存在非線性(塑性、蠕變、膨脹)的話。積分點非線性應變總是被拷貝到結(jié)點。 參見ANSYS Basic Analysis Guide2。2.2.4 施加荷載 在這一步把荷載施加到模型中，參見ANSYS Basic Analysis Guide2。記住慣性荷載和點荷載將保持方向不變，但表面荷載在大變形分析中將跟隨結(jié)構(gòu)的變形而變化。用戶可以定義一維數(shù)據(jù)表(TABLE類型的數(shù)組參數(shù))來施加復雜邊界條件。2.2.5 求解1、把數(shù)據(jù)庫保存為一個文件。命令： SAVE GUI：Utility MenuFileSave as2、求解命令： SOLVE GUI：Main MenuSolution-Solve-Current LS3、如用戶定義了多個荷載步，則必須指定時間設(shè)置、荷載步選項等，然后保存和求解每個附加的荷載步。參見ANSYS Basic Analysis Guide。4、退出求解器命令： FINISH GUI：關(guān)閉求解菜單2.2.6 考察結(jié)果 非線性靜態(tài)分析的結(jié)果，主要由位移、應力、應變以及反作用力組成?？梢杂猛ㄓ煤筇幚砥鱌OST1，或者時間歷程后處理器POST26，來考察這些結(jié)果。 記住用POST1一次僅可以讀取一個子步，且來自那個子步的結(jié)果應當已被寫入 Jobname.RST 。(載荷步選項命令 OUTRES 控制哪一個子步的結(jié)果被存儲入 Jobname.RST )。典型的POST1后處理順序?qū)⒃谙旅婷枋觥?.2.6.1 要記住的要點 用POST1考察結(jié)果，數(shù)據(jù)庫中的模型必須與用于求解計算的模型相同。 結(jié)果文件( Jobname.RST )必須是可用的。2.2.6.2 用POST1考察結(jié)果 1、檢查用戶的輸出文件( Jobname.OUT )是否在所有的子步分析都收斂。 如果不收斂，用戶可能不想進行后處理，而是想確定為什么收斂失敗。 如果用戶的解收斂，那么繼續(xù)進行后處理。 2、進入POST1。如果用于求解的模型現(xiàn)在不在數(shù)據(jù)庫中，發(fā)出 RESUME 命令。命令：/ POST1 GUI：Main MenuGeneral Postproc 3、讀取需要的載荷步和子步結(jié)果，這可以依據(jù)載荷步和子步號或者時間來識別，然而不能依據(jù)時間來識別出弧長法結(jié)果。命令： SET GUI：Main MennGeneral PostprocRead Results-Load step 同樣地用戶可以使用 SUBSET 或者 APPEND 命令來只對選出的部分模型讀取或者合并結(jié)果數(shù)據(jù)。這些命令中的任何一個中的 LIST 參數(shù)列出結(jié)果文件中可用的解。用戶同樣地可以通過 INRES 命令限制從結(jié)果文件到基本數(shù)據(jù)被寫的數(shù)據(jù)總量。另外可以用 ETABLE 命令對選出的單元進行后處理，見ANSYS Commands Reference 警告 ：如果用戶指定了一個沒有結(jié)果可用的TIME值，ANSYS程序?qū)⑦M行線性內(nèi)插來計算出那Time處的結(jié)果。認識到在非線分析中這種線性內(nèi)插通常將導致某些精度損失(參看 圖2-1 )。因此，對于非線性分析，通常用戶應當在一個精確地對應于要求子步的TIME處進行后處理。圖2-1 非線性結(jié)果的線性內(nèi)插可能引起某些誤差 4、使用下列任意選項顯示結(jié)果 1)顯示已變形的形狀 命令： PLDISP GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shapes 在大變形分析中，一般優(yōu)先使用真實比例顯示 DSCALE ，1。 2)等值線顯示 命令： PLNSOL 或 PLESOL GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot- Nodal Solu 或 Element Solu 使用這些選項來顯示應力、應變或者任何其它可用項目的等值線。如果鄰接的單元具有不同材料行為(可能由于塑性或多線性彈性的材料性質(zhì)，由于不同的材料類型，或者由于鄰近的單元的死活屬性不同而產(chǎn)生)，用戶應當注意避免結(jié)果中的結(jié)點應力平均錯誤。 PLNSOL 和 PLESOL 命令的 KUND 域使用戶可以在原始圖形上疊加變形圖。 同樣地用戶可以繪制單元表數(shù)據(jù)和線單元數(shù)據(jù)的等值線： 命令： PLETAB ， PLLS GUIS：Main MenuGeneral PostprocElement TablePlot Element Table Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Line Elem Res 使用 PLETAB 命令來繪制單元表數(shù)據(jù)的等值線，用 PLLS 命令來繪制線單元數(shù)據(jù)的等值線。 3)列表 命令： PRNS