[非常好]應(yīng)力剛化和幾何剛度

1、應(yīng)力剛化和幾何剛度一、應(yīng)力剛化ANSYS程序通過生成和使用一個稱作“應(yīng)力剛化矩陣”的輔助剛度矩陣來考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。在大變形分析中何時使用應(yīng)力剛化：1、對于大多數(shù)實體單元，應(yīng)力剛化的效應(yīng)是與問題相關(guān)的；在大變形分析中的應(yīng)用可能提高也可能降低收斂性。在大多數(shù)情況下，應(yīng)該首先嘗試一個應(yīng)力剛化效應(yīng)OFF的分析，如果遇到收斂困難時，則嘗試打開應(yīng)力剛化。2、應(yīng)力剛化不適應(yīng)于包含由于狀態(tài)改變、剛度上經(jīng)歷突然的不連續(xù)變化的非線性單元的結(jié)構(gòu)。對于這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)力剛化效應(yīng)打開時，結(jié)構(gòu)剛度上的不連續(xù)性很容易導(dǎo)致求解的“脹破”。3、對于梁和殼單元，在大撓度分析中通常應(yīng)該使用應(yīng)力剛化。實際上，在應(yīng)用這些單元進(jìn)行非線

2、性屈曲和后屈曲分析時，只有打開應(yīng)力剛化才能得到精確的解。但當(dāng)應(yīng)用桿、梁或者殼單元來模擬剛性連桿、耦合端或者結(jié)構(gòu)剛度的大變化時，不應(yīng)該使用應(yīng)力剛化效應(yīng)。4、無論何時使用應(yīng)力剛化，務(wù)必定義一系列實際的單元實常數(shù)。使用不是人為的放大和縮小的實常數(shù)將影響對單元內(nèi)部應(yīng)力的計算，且將相應(yīng)地降低那個單元的應(yīng)力剛化效應(yīng)，結(jié)果將是降低解的精度。二、幾何剛度幾何剛度矩陣表示結(jié)構(gòu)在變形狀態(tài)下的剛度變化，與施加的荷載有直接的關(guān)系。任意構(gòu)件受到壓力時，剛度有減小的傾向；反之，受到拉力時，剛度有增大的傾向?？紤]幾何非線性的大變形結(jié)構(gòu)分析，屈曲分析等都要考慮幾何剛度矩陣。例如求臨界荷載P(特征值)的屈曲分析平衡方程：(K0

3、+P*Kg)*U=0KO:結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣Kg：結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣要使U有非0解，U的系數(shù)行列式為0，即|K+P*Kg|=O幾何剛度矩陣又稱為初應(yīng)力剛度矩陣，與Ansys中稱之為應(yīng)力硬化的現(xiàn)象有關(guān)。對于梁桿體系而言，應(yīng)力硬化實際上就是P-A效應(yīng)。應(yīng)力硬化具體可參見ANSYS,Inc.TheoryReference中的3.3.StressStiffening。這里簡述如下：應(yīng)力硬化(亦稱為幾何硬化、增量硬化、初應(yīng)力硬化和微分硬化)，是由于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化或者軟化。通常存在于彎曲剛度相對軸向剛度很小的薄結(jié)構(gòu)，如索、膜、梁、殼等。該效應(yīng)亦可能是由大應(yīng)變或者大變形引起。幾何剛陣是通過前一

4、個平衡迭代的應(yīng)力狀態(tài)來計算的，因此至少要迭代2次。從上可知，引起應(yīng)力硬化的情況都要考慮幾何剛度，如小變形條件下的P-A效應(yīng)等。大變形情況下一般要考慮幾何剛度，當(dāng)然也不是必須的，Ansys中大變形打開(NLGEOM,ON)時，同時會打開應(yīng)力硬化(SSTIF,ON),但用戶也可以選擇關(guān)閉。pillow兄考慮的是小變形情況下的P-A效應(yīng)，對于無側(cè)移剛架會出現(xiàn)特征值問題。但一般情況下，荷載右端項不為0，此時可以迭代計算求出荷載極值。應(yīng)力硬化理論假定單元的轉(zhuǎn)動和應(yīng)變是微小的，在某些結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，硬化應(yīng)力僅可以通過進(jìn)行大繞度分析得到。有些系統(tǒng)中，也可以采用小繞度或線性理論得到。如果采用小繞度或線性理論則必

5、須在第一個載荷步中使用命令SSTIFON。ANSYS程序通過生成和使用一個稱作“應(yīng)力硬化矩陣”的輔助剛度矩陣來考慮應(yīng)力硬化效應(yīng)。盡管剛度矩陣是使用線性理論得到的，但由于應(yīng)力或應(yīng)力矩陣在每次迭代之間是變化的，因此它仍舊是非線性的。在ANSYS程序的大應(yīng)變和大繞度處理中，一般都考慮到初始應(yīng)力效應(yīng)的影響，將其作為大應(yīng)變和大繞度理論的一個子集。對于許多實體單元和殼單元來說，當(dāng)大變形效應(yīng)被激活時，程序?qū)⒆詣影ǔ跏加不?yīng)。在大變形分析中應(yīng)力硬化效應(yīng)的加入，是通過把應(yīng)力剛度矩陣加到主剛度矩陣上以在具有大應(yīng)變或大繞度性能的多數(shù)單元中產(chǎn)生一個“近似”的協(xié)調(diào)切向剛度矩陣。幾何非線性分析應(yīng)力剛化隨著位移增長一個

6、有限單元已移動的坐標(biāo)可以以多種方式改變結(jié)構(gòu)的剛度一般來說這類問題總是是非線性的需要進(jìn)行迭代獲得一個有效的解大應(yīng)變效應(yīng)一個結(jié)構(gòu)的總剛度依賴于它的組成部件單元的方向和單剛當(dāng)一個單元的結(jié)點經(jīng)歷位移后那個單元對總體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)可以以兩種方式改變，首先如果這個單元的形狀改變它的單元剛度將改變看圖21(a),其次如果這個單元的取向改變它的局部剛度轉(zhuǎn)化到全局部件的變換也將改變看圖21b)小的變形和小的應(yīng)變分析假定位移小到足夠使所得到的剛度改變無足輕重這種剛度不變假定意味著使用基于最初幾何形狀的結(jié)構(gòu)剛度的一次迭代足以計算出小變形分析中的位移什么時候使用小變形和應(yīng)變依賴于特定分析中要求的精度等級相反大應(yīng)變分析

7、說明由單元的形狀和取向改變,導(dǎo)致的剛度改變,因為剛度受位移影響且反之亦然所以在大應(yīng)變分析中需要迭代求解來得到正確的位移通過發(fā)出NLGEOMONGUI路徑MainMenuSolutionAnalysisOptions)來激活大應(yīng)變效應(yīng)這效應(yīng)改變單元的形狀和取向且還隨單元轉(zhuǎn)動表面載荷集中載荷和慣性載荷保持它們最初的方向在大多數(shù)實體單元包括所有的大應(yīng)變和超彈性單元以及部分的殼單元中大應(yīng)變特性是可用的在ANSYS/LinearPlus程序中大應(yīng)變效應(yīng)是不可用的圖111大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動大應(yīng)變處理對一個單元經(jīng)歷的總旋度或應(yīng)變沒有理論限制某些ANSYS單元類型將受到總應(yīng)變的實際限制參看下面然而應(yīng)限制應(yīng)變增量以

8、保持精度因此總載荷應(yīng)當(dāng)被分成幾個較小的步這可以NSUBSTDELTIMAUTOTS通過GUI路徑MainMenuSolutionTime/Prequent)無論何時當(dāng)系統(tǒng)是非保守系統(tǒng)來自動實現(xiàn)如在模型中有塑性或摩擦或者有多個大位移解存在如具有突然轉(zhuǎn)換現(xiàn)象使用小的載荷增量具有雙重重要性關(guān)于大應(yīng)變的特殊建模討論應(yīng)力應(yīng)變在大應(yīng)變求解中所有應(yīng)力應(yīng)變輸入和結(jié)果將依據(jù)真實應(yīng)力和真實或?qū)?shù)應(yīng)變一維時真實應(yīng)變將表求為對于響應(yīng)的小應(yīng)變區(qū)真實應(yīng)變和工程應(yīng)變基本上是一致的要從小工程應(yīng)變轉(zhuǎn)換成對數(shù)應(yīng)變使用要從工程應(yīng)力轉(zhuǎn)換成真實應(yīng)力使用這種應(yīng)力轉(zhuǎn)化反對不可壓縮塑性應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)是有效的為了得到可接受的結(jié)果對真實應(yīng)變超過5

9、0%的塑性分析應(yīng)使用大應(yīng)變單元大應(yīng)變與小應(yīng)變分析的界定ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析VISCO106107及108單元的形狀應(yīng)該認(rèn)識到在大應(yīng)變分析的任何迭代中低劣的單元形狀也就是大的縱橫比過度的頂角以及具有負(fù)面積的已扭曲單元將是有害的因此你必須和注意單元的原始形狀一樣注意的單元已扭曲的形狀除了探測出具有負(fù)面積的單元外ANSYS程序?qū)τ谇蠼庵杏龅降牡土訂卧螤畈话l(fā)出任何警告必須進(jìn)行人工檢查如果已扭曲的網(wǎng)格是不能接受的可以人工改變開始網(wǎng)格在容限內(nèi)以產(chǎn)生合理的最終結(jié)果參看圖22圖22在大應(yīng)變分析中避免低劣單元形狀的發(fā)展具有小應(yīng)變的大偏移小應(yīng)變大轉(zhuǎn)動某些單元支持大的轉(zhuǎn)動但不支持大的形狀改變一種

10、稱作大撓度的大應(yīng)變特性的受限形式對這類單元是適用的在一個大撓度分析中單元的轉(zhuǎn)動可以任意地大但是應(yīng)變假定是小的大撓度效應(yīng)沒有大的形狀改變在ANSYS/LinearPlus程序中是可用的在ANSYS/Mechanical,以及ANSYS/Structural產(chǎn)品中對于支持大應(yīng)變特性的單元大撓度效應(yīng)不能獨立于大應(yīng)變效應(yīng)被激活在所有梁單元和大多數(shù)殼單元中以及許多非線性單元中這個特性是可用的通過打開NLGEOMONGUI路徑MainMenuSolutionAnolysisOptions來激活那些支持這一特性的單元中的大位移效應(yīng)應(yīng)力剛化結(jié)構(gòu)的面外剛度?？赡車?yán)重地受那個結(jié)構(gòu)中面內(nèi)應(yīng)力的狀態(tài)的影響，面內(nèi)應(yīng)力和

11、橫向剛度之間的聯(lián)系通稱為應(yīng)力剛化。在薄的高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中如纜索或薄膜中是最明顯的，一個鼓面當(dāng)它繃緊時會產(chǎn)生垂向剛度，這是應(yīng)力強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的一個普通的例子，盡管應(yīng)力剛化理論假定單元的轉(zhuǎn)動和應(yīng)變是小的，在某些結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中如在圖23a)中剛化應(yīng)力僅可以通過進(jìn)行大撓度分析得到在其它的系統(tǒng)中如圖23(b)中剛化應(yīng)力可采用小撓度或線性理論得到圖23應(yīng)力硬化梁要在第二類系統(tǒng)中使用應(yīng)力硬化必須在第一個載荷步中發(fā)出SSTIFONGUI路徑ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析MainMenuSolutionAnalysisOptions)ANSYS程序通過生成和使用一個稱作應(yīng)力剛化矩陣的輔助剛度矩陣來考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)

12、盡管應(yīng)力剛度矩陣是使用線性理論得到的但由于應(yīng)力應(yīng)力剛度矩陣在每次迭代之間是變化的這個事實因而它是非線性的大應(yīng)變和大撓度處理包括進(jìn)初始應(yīng)力效應(yīng)作為它們的理論的一個子集對于許多實體和殼單元當(dāng)大變型效應(yīng)被激活時NLGEOMONGUI路徑MainMenuSolutionAnalysisOptions)自動包括進(jìn)初始硬化效應(yīng)在大變形分析中NLGEOMON包含應(yīng)力剛化效應(yīng)SSTIFON將把應(yīng)力剛度矩陣加到主剛度矩陣上以在具有大應(yīng)變或大撓度性能的大多數(shù)單元中產(chǎn)生一個近似的協(xié)調(diào)切向剛度矩陣?yán)馇闆r包括BEAM4和SHELL63以及不把應(yīng)力剛化列為特殊特點的任何單元對于BEAM4和SHELL63你可以通過設(shè)置K

13、EYOPT2=1和NLGEOMON在初始求解前激活應(yīng)力剛化當(dāng)大變形效應(yīng)為ON開時這個KEYOPT設(shè)置激活一個協(xié)調(diào)切向剛度矩陣選項當(dāng)協(xié)調(diào)切向剛度矩陣被激活時也就是當(dāng)KEYOPT2=1且NLGEOMON時SSTIF對BEAM4和SHELL63將不起作用在大變型分析中何時應(yīng)當(dāng)使用應(yīng)力剛化對于大多數(shù)實體單元應(yīng)力剛化的效應(yīng)是與問題相關(guān)的在大變型分析中的應(yīng)用可能提高也可能降低收斂性在大多數(shù)情況下首先應(yīng)該嘗試一個應(yīng)力剛化效應(yīng)OFF關(guān)閉的分析如果你正在模擬一個受到彎曲或拉伸載荷的薄的結(jié)構(gòu)當(dāng)用應(yīng)力硬化OFF關(guān)時遇到收斂困難則嘗試打開應(yīng)力硬化應(yīng)力剛化不建議用于包含不連續(xù)單元由于狀態(tài)改變剛度上經(jīng)歷突然的不連續(xù)變化的

14、非線性單元如各種接觸單元SOLID65等等的結(jié)構(gòu)對于這樣的問題當(dāng)應(yīng)力剛化為ON開時結(jié)構(gòu)剛度上的不連續(xù)線性很容易導(dǎo)致求解脹破對于桁梁和殼單元在大撓度分析中通常應(yīng)使用應(yīng)力剛化實際上在應(yīng)用這些單元進(jìn)行非線性屈曲和后屈曲分析時只有當(dāng)打開應(yīng)力剛化時才得到精確的解對于BEAM4和SHELL63你通過設(shè)置單元KEYOPT2=1激活大撓度分析中NLGEOMON的應(yīng)力剛化然而當(dāng)你應(yīng)用桿梁或者殼單元來模擬剛性連桿耦合端或者結(jié)構(gòu)剛度的大變化時你不應(yīng)使用應(yīng)力剛化注意無論何時使用應(yīng)力剛化務(wù)必定義一系列實際的單元實常數(shù)使用不是成比例也就是人為的放大或縮小的實常數(shù)將影響對單元內(nèi)部應(yīng)力的計算且將相應(yīng)地降低那個單元的應(yīng)力剛化效

15、應(yīng)結(jié)果將是降低解的精度旋轉(zhuǎn)軟化旋轉(zhuǎn)軟化為動態(tài)質(zhì)量效應(yīng)調(diào)整軟化旋轉(zhuǎn)物體的剛度矩陣在小位移分析中這種調(diào)整近似于由于大的環(huán)形運動而導(dǎo)致幾何形狀改變的效應(yīng)通常它和預(yù)應(yīng)力PSTRESGUI路徑MainMenuSolutionAnalysisOptions)一起使用這種預(yù)應(yīng)力由旋轉(zhuǎn)物體中的離心力所產(chǎn)生它不應(yīng)和其它變形非線性大撓度和大應(yīng)變一起使用旋轉(zhuǎn)軟化用OMEGA命令中的KPSIN來激活GUI路徑MainMenuPreprocessorLoads-Loads-Apply-Structural-OtherAngularVelotity)關(guān)于非線性分析的忠告和準(zhǔn)則著手進(jìn)行非線性分析通過比較小心地采用時間和方法

16、可以避免許多和一般的非線性分析有關(guān)的困難下列建議對你可能是有益的了解程序的運作方式和結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)行為如果你以前沒有使用過某一種特別的非線性特性在將它用于大的復(fù)雜的模型前構(gòu)造一個非常簡單的模型也就是僅包含少量單元以及確保你理解了如何處理這種特性通過首先分析一個簡化模型以便使你對結(jié)構(gòu)的特性有一個初步了解對于非線性靜態(tài)模型一個初步的線性靜態(tài)分析可以使你知道模型的哪一個區(qū)域?qū)⑹紫冉?jīng)歷非線性響應(yīng)以及在什么載荷范圍這些非線性將開始起作用對于非線性瞬態(tài)分析一個對梁質(zhì)量塊及彈簧的初步模擬可以使你用最小的代價對結(jié)構(gòu)的動態(tài)有一個深入了解在你著手最終的非線性瞬時動態(tài)分析前初步非線性靜態(tài)線性瞬時動態(tài)和/或模態(tài)分析同樣地

17、可以有助于你理解你結(jié)構(gòu)的非線性動態(tài)響應(yīng)的不同的方面第3頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析閱讀和理解程序的輸出信息和警告至少在你嘗試后處理你的結(jié)果前確保你的問題收斂對于與路程相關(guān)的問題打印輸出的平衡迭代記錄在幫助你確定你的結(jié)果是有效還是無效方面是特別重的簡化盡可能簡化最終模型如果可以將3D結(jié)構(gòu)表示為2D平面應(yīng)力平面應(yīng)變或軸對稱模型那么這樣做如果可以通過對稱或反對稱表面的使用縮減你的模型尺寸那么這樣做然而如果你的模型非對稱加載通常你不可以利用反對稱來縮減非線性模型的大小由于大位移反對稱變成不可用的如果你可以忽略某個非線性細(xì)節(jié)而不影響你模型的關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)果那么這樣做只要有可能就依照靜態(tài)等效載荷

18、模擬瞬時動態(tài)加載考慮對模型的線性部分建立子結(jié)構(gòu)以降低中間載荷或時間增量及平衡迭代所需要的計算時間采用足夠的網(wǎng)格密度考慮到經(jīng)受塑性變形的區(qū)域要求一個合理的積分點密度每個低階單元將提供和高階單元所能提供的一樣多積分點數(shù)因此經(jīng)常優(yōu)先用于塑性分析在重要塑性區(qū)域網(wǎng)格密度變得特別地重要因為大撓度要求對于一個精確的解個單元的變形彎曲不能超過30度在接觸表面上提供足夠的網(wǎng)格密度以允許接觸應(yīng)力以一種平滑方式分布提供足夠用于分析應(yīng)力的網(wǎng)格密度那些應(yīng)力或應(yīng)變關(guān)心的面與那些需要對位移或非線性解析處的面相比要求相對好的網(wǎng)格使用足夠表征最高的重要模態(tài)形式的網(wǎng)格密度所需單元數(shù)目依賴于單元的假定位移形狀函數(shù)以及模態(tài)形狀本身使

19、用足夠可以用來分析通過結(jié)構(gòu)的任何瞬時動態(tài)波傳播的網(wǎng)格密度如果波傳播是重要的那么至少提供20個單元來分析一個波長逐步加載對于非保守的與路徑相關(guān)的系統(tǒng)你需要以足夠小的增量施加載荷以確保你的分析緊緊地跟隨結(jié)構(gòu)的載荷響應(yīng)曲線有時你可以通過逐漸地施加載荷提高保守系統(tǒng)的收斂特性從而使所要求的Newton_Raphson平衡迭代次數(shù)最小合理地使用平衡迭代務(wù)必允許程序使用足夠多的平衡迭代NEQIT在緩慢收斂路徑無關(guān)的分析中這會是特別重要的相反地在與路徑嚴(yán)重相關(guān)的情況下可能不應(yīng)該增加平衡迭代的最大次數(shù)超過程序的缺省值25如果路徑相關(guān)問題在一個給定的子步內(nèi)不能快速收斂那么你的解可能偏離理論載荷響應(yīng)路徑太多這個問題

20、當(dāng)你的時間步長太大時出現(xiàn)通過強(qiáng)迫你的分析在一個較小的迭代次數(shù)后終止你可以從最后成功地收斂的時間步重起動ANTYPE建立一個較小的時間步長然后繼續(xù)求解打開二分法2AUTOTSON會自動地用一個較小的時間步長重起動求解克服收斂性問題如果問題中出現(xiàn)負(fù)的主對角元計算出過度大的位移或者僅僅沒能在給定的最大平衡迭代次數(shù)內(nèi)達(dá)到收斂則收斂失敗發(fā)生收斂失敗可能表明出結(jié)構(gòu)物物理上的不穩(wěn)定性或者也可能僅是有限無模型中某些數(shù)值問題的結(jié)果ANSYS程序提供幾種可以用來在分析中克服數(shù)值不穩(wěn)性的工具如果正在模擬一個實際物理意義上不穩(wěn)定的系統(tǒng)也就是具有零或者負(fù)的剛度那么將擁有更多的棘手問題有時你可以應(yīng)用一個或更多的模擬技巧來

21、獲得這種情況下的一個解讓我們來探討一下某些你可以用來嘗試提高你的分析的收斂性能的技術(shù)打開自動時間步長當(dāng)打開自動時間步長時往往需要一個小的最小的時間步長或者大的最大的步長數(shù)當(dāng)有接觸單元如CONTACT48CONTACT12等等時使用自動時間分步程序可能第4頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析趨向于重復(fù)地進(jìn)行二分法直到它達(dá)到最小時間步長然后程序?qū)⒃谡麄€求解期間使用最小時間步長這樣通常產(chǎn)生一個穩(wěn)定但花費時間的解接觸單元具有一個控制程序在它的時間步選擇中將是多么保守的選項設(shè)置KEYOPT7這樣允許你加速在這些情況下的運行時間對于其它的非線性單元你需要仔細(xì)地選擇你的最小時間步如果你選擇一個太小的最小

22、時間步自動時間分步算法可能使你的運行時間太長相反地使你的最小時間步長太大可能導(dǎo)致不收斂務(wù)必對時間步長設(shè)置一個最大限度DELTIM或者NSUBST特別別是對于復(fù)雜的模型這確保所有重要的模態(tài)和特性將被精確地包含進(jìn)這在下列情況下可能是重要的具有局部動態(tài)行為特性的問題例如渦輪葉片和輪轂部件在這些問題中系統(tǒng)的低頻能量含量以優(yōu)勢壓倒高頻范圍具有很短的漸進(jìn)加載時間問題如果時間步長允許變得太大載荷歷程的漸進(jìn)部分可能不能被精確地表示出來包含在一個頻率范圍內(nèi)被連續(xù)地激勵的結(jié)構(gòu)的問題例如地震問題當(dāng)模擬運動結(jié)構(gòu)具有剛體運動的系統(tǒng)時注意分析輸入或系統(tǒng)驅(qū)動頻率所要求的時間步通常比分析結(jié)構(gòu)的頻率所要求的大幾個數(shù)量級采用這樣

23、粗略的一個時間步會將相當(dāng)大的數(shù)值干擾引入解中求解甚至可能變得不穩(wěn)定下面這些準(zhǔn)則通?？梢詭椭惬@得一個好的解如果實際可行采用一個至少可以分析系統(tǒng)的第一階非零頻率的時間步長把重要的數(shù)值阻尼在TINTP命令中0.05P1加到求解中以過濾出高頻噪音特別是如果采用了一個精略的時間步長時由于阻尼質(zhì)量矩陣乘子ALPHAD命令會阻礙系統(tǒng)的剛體運動零頻率模態(tài)在一個動態(tài)運動分析中不要使用它避免強(qiáng)加的位移歷程說明因為強(qiáng)加的位移輸入具有理論上加速度上的無限突躍對于Newmark時間積分算法其導(dǎo)致穩(wěn)定性問題使用二分法無論何時你打開自動時間步長AUTOTSON二分法被自動激活這個特性通常會使你能夠從由于采用一個太大的時間

24、步導(dǎo)致的收斂失敗中恢復(fù)它受最小時間步長限制NSUBSTDELTIM二分法對于任何對加載步長敏感的分析一般是有益的對于發(fā)現(xiàn)一個非線性系統(tǒng)的屈曲臨界負(fù)載它同樣是有用的使用Newton-Raphson選項和自適應(yīng)下降因子Newton-Raphson選項的最佳選擇將依據(jù)存在于你模型中的非線性種類變化盡管通過讓程序選擇Newton-Raphson選項NROPTAUTO通常你會獲得最佳的收斂特性但也可能偶爾遇到使用一些其它選擇會更有效的情況例如如果非線性材料的行為發(fā)生在你模型的一個相對小的區(qū)域中采用修正的Newton-Raphson或者初始剛度選項可以降低分析的總體CPU代價自適應(yīng)下降因子NROPT和塑性

25、以及某些非線性單元包括接觸單元同時使用在幾乎沒有載荷重新分配的情況下通過關(guān)閉這個特性你可以獲得更快的收斂性自適應(yīng)下降在僅有大撓度的非線性的問題中幾乎沒有效果使用線性搜索線性搜索LNSRCH作為一個對自適應(yīng)下降NROPT的替代會是有用的一般地你不應(yīng)同時既激活線性搜索又激活自適應(yīng)下降線性搜索方法通常導(dǎo)致收斂但在時間上它可能是緩慢的和昂貴的特別是具有塑性時在下列情況下你可以設(shè)置線搜索為打開狀態(tài)當(dāng)你的結(jié)構(gòu)是力加載的其與位移控制的相反時如果你正在分析一個剛度增長的薄膜結(jié)構(gòu)如一根釣魚桿如果你注意到從程序的輸出信息你的分析正導(dǎo)致自適應(yīng)下降頻頻被激活應(yīng)用預(yù)測預(yù)測PRED基于基于前一個時間步的求解預(yù)估在這個時間

26、步中的求解情況因此可能減少所需的平衡迭代次數(shù)如果非線性響應(yīng)相對地平滑這個特性會是有益的在大轉(zhuǎn)動和粘彈性分析中它一般不是有益的應(yīng)用弧長方法第5頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析對于許多物理意義上不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)你可以應(yīng)用弧長方法ARCLENARCTRM來獲得數(shù)值上穩(wěn)定的解當(dāng)應(yīng)用弧長方法時請記住下列考慮事項弧長方法限制于僅具有漸進(jìn)加載方式的靜態(tài)分析程序由第一個子步的第一次迭代的載荷或位移增量計算出參考弧長半徑采用下列公式參考弧長半徑=總體載荷或位移NSBSTP這里NSBSTP是NSUBST命令中指定的子步數(shù)當(dāng)選擇子步數(shù)時考慮到更多的子步將導(dǎo)致很長的求解時間理想地你會選擇一個最佳有效解所需的最小子

27、步數(shù)或許你不得不對所需的子步數(shù)進(jìn)行評詁按照需要調(diào)整后再重新求解當(dāng)弧長方法是激活的時不要使用線搜索LNSRCH預(yù)測PRED自適應(yīng)下降NROPTON自動時間分步AUTOTSTIMEDELTIM或時間積分效應(yīng)TIMINT不要嘗試將收斂建立在位移的基礎(chǔ)上CNVTOLU使用力的收斂準(zhǔn)則CNVTOLF要用弧長方法來幫助使求解時間最小化一個單一子步中的最大平衡迭代數(shù)應(yīng)當(dāng)小于或等于15如果一個弧長求解在規(guī)定的最大迭代次數(shù)內(nèi)NEQIT沒能收斂程序?qū)⒆詣舆M(jìn)行二分且繼續(xù)分析直到獲得一個收斂的解或者最小的弧長半徑被采用最小半徑由NSUBSTNSUBST和MINARCARCLEN定義一般地你不能應(yīng)用這種方法來在一個確定

28、的載荷或位移值處獲得一個解因為這個值隨獲得的平衡態(tài)改變沿球面弧注意圖14中給定的載荷僅用作一個起始點收斂處的實際載荷有點小類似地當(dāng)在一個非線性屈曲分析中應(yīng)用弧長方法來在某些已知的容限范圍內(nèi)確定一個極限載荷或位移的值可能是困難的通常你不得不通過嘗試錯誤再嘗試調(diào)整參考弧長半徑使用NSUBST來在極限點處獲得一個解應(yīng)用帶二分AUTOTS的標(biāo)準(zhǔn)NEWTON-RAPHSON迭代來確定非線性載荷屈曲臨界負(fù)載的值可能會更方便通常你應(yīng)當(dāng)避免和弧長方法一起使用JCG或者PCG求解器EQSLV因為弧長方法可能會產(chǎn)生一個負(fù)定剛度矩陣負(fù)的主對角線用這些求解器其可能導(dǎo)致求解失敗在任何載荷步的開始你可以從Newton-R

29、aphson迭代方法到弧長方法自由轉(zhuǎn)換然而要從弧長到Newton-Raphson迭代轉(zhuǎn)換你必須終止分析然后重起動且在重起動的第一個載荷步中去殺死弧長方法ARCLENOFF一個弧長求解在這些情況下終止當(dāng)由ARCTRM或NCNV命令定義的極限達(dá)到時當(dāng)在所施加的載荷范圍內(nèi)求解收斂時當(dāng)你使用一個放棄文件時Jobname.ABT使用載荷位一移曲線作為用于評價和調(diào)整你的分析以幫助你獲得所需結(jié)果的準(zhǔn)則通常對于每一個分析都繪制你的載荷一偏移曲線采用POST26命令是一種好的作法經(jīng)常地一個不成功的弧長分析可以歸因于弧長半徑或者太大或者太小沿載荷一偏移曲線原路返回的回漂是一種由于使用太大或太小弧長半徑導(dǎo)致的典型難

30、點研究載荷偏移曲線來理解這個問題然后使用NSUBST和ARCLEN命令來調(diào)整弧長半徑的大小和范圍為合適的值總體弧長載荷因子SOLU命令中的ALLF項或者會是正的或者會是負(fù)的類似地TIME其在弧長分析中相關(guān)于總體弧長載荷因數(shù)同樣會不是正的就是負(fù)的ALLF或TIME的負(fù)值表示弧長特性正在以反方向加載以便保持結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性負(fù)的ALLF或者TIME值一般會在各種突然轉(zhuǎn)換分析中遇到當(dāng)將弧長結(jié)果讀入基本數(shù)據(jù)用于POSTI后處理時SET你總是應(yīng)當(dāng)引用由它的載荷步第6頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析和子步號LSTEP和SBSTEP或者進(jìn)它的數(shù)據(jù)設(shè)置號所設(shè)定的所需結(jié)果數(shù)據(jù)不要引用用TIME值的結(jié)果因為T

31、IME值在一個弧長分析中并不總是單調(diào)增加的單一的一個TIME值可能涉及多于一個的解此外程序不能正確地解釋負(fù)的TIME值C其可能在一個突然轉(zhuǎn)換分析中遇到如果TIME為負(fù)的記住在產(chǎn)生任何POST26圖形前定義一個合適的變化范圍IXRANGE或者IYRANGE在你的模型響應(yīng)中人為地抑制發(fā)散如果你不想使用弧長方法來分析一個在奇異零剛度形狀時開始開或者通過奇異形狀的力加載的結(jié)構(gòu)時有時你可以使用其它的技術(shù)來人工地抑制模型響應(yīng)中的發(fā)散在某些情況下你可以使用強(qiáng)加的位移來替代所施加的力這種方法可以用于在較靠近平衡位置處開始一個靜態(tài)分析或者用于控制整個不穩(wěn)定響應(yīng)期間如突然轉(zhuǎn)換或后翹曲的位移其它在阻止由于初始不穩(wěn)定

32、性所造成的問題時有效的技術(shù)包括使用帶有強(qiáng)加的初始應(yīng)變的應(yīng)力剛化SSTIF致冷也就是增加暫時的人工熱應(yīng)變或者將一個靜態(tài)問題執(zhí)行為一個緩慢動態(tài)分析也就是在任意一個載荷步嘗試使用時間積分效應(yīng)阻止解發(fā)散你也可以應(yīng)用控制單元如COMBIN37或者應(yīng)用其它單元的出生和死亡選項對不穩(wěn)定的DOFs施加暫時的人工剛度這里的想法是在中期的載荷步期間人為地約束系統(tǒng)以阻止不符合實際的大位移被計算出隨著系統(tǒng)變位到穩(wěn)定的形態(tài)人工剛度被移去應(yīng)用雅各比共軛梯度求解器這個求解器通過EQSLV命令獲得在經(jīng)歷某一奇異劃零零剛度狀態(tài)的分析中會是有用的葉OJCG求解器來說相對大的求解容差有時會涂抹掉這種奇異性導(dǎo)致載荷一位移曲線的斜度具

33、有某些假的非零值在EQSLV中這個求解器的容限不是非線性收斂容限雅各比共軛梯度求解器僅是一種求解線性矩陣方程的替代方法這種求解器的使用不能替代任何方式的非線性處理關(guān)閉特殊的單元形狀有時在非線性分析中使用無中節(jié)點單元的形狀選項會產(chǎn)生收斂困難合理地使用出生和死亡認(rèn)識到結(jié)構(gòu)的剛度矩陣的任何突然改變可能會導(dǎo)致收斂問題當(dāng)激活或殺死單元時試著將變化分散在若干子步內(nèi)如果需要采用一個小的時間步長來完成這種變化也要注意到隨著你激活或殺死單元可能會產(chǎn)生的奇異性如尖的再生角像這樣的奇異性可能產(chǎn)生收斂問題檢驗?zāi)愕姆治鼋Y(jié)果好的有限無分析FEA過程總是要求你檢驗?zāi)愕慕Y(jié)果你需要自己證明你理解了程序你正在正確地使用它以及你的

34、分析結(jié)果正確地體現(xiàn)出你的結(jié)構(gòu)的物理特性在檢驗?zāi)愕姆蔷€性分析時你可以使用若干標(biāo)準(zhǔn)驗證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析一個確保你了解如何恰當(dāng)?shù)厥┘映绦虻奶厥馓匦缘暮玫姆椒ㄊ峭ㄟ^進(jìn)行一個或多個標(biāo)準(zhǔn)分析在一個標(biāo)準(zhǔn)分析中一般是你對一個有理論解存在的簡單結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨立地分析這里的想法是通過將你的FEA結(jié)果與已知結(jié)果相對照以驗證你可以正確地運用程序的特性當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與要分析的完整結(jié)構(gòu)非常相似ANSYSVerificationManual是標(biāo)準(zhǔn)問題的一種較好的來源結(jié)果合理么大多數(shù)工程師在他們職業(yè)的早期就認(rèn)識到要對他們的數(shù)值結(jié)果的有效性提出疑問無論這些結(jié)果是通過手工計算計算機(jī)分析還是一些其它方法得到的在你開始任何分析前你總是

35、應(yīng)當(dāng)對你期望獲得的結(jié)果至少具有一個粗略的概念通過經(jīng)驗試驗標(biāo)準(zhǔn)分析等等獲得如果你最終的結(jié)果似乎不合理也就是如果它們不同于你的期望值你應(yīng)當(dāng)確信你理解了這是為什么好的工程實際要求你總是使你的分析結(jié)果和合理的期望值相一致第7頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析理解你的輸出記住ANSYS程序?qū)⒁粋€非線性分析作為一系列帶修正的線性近似來完成程序的打印輸出給出你關(guān)于這些近似和修正發(fā)展的連續(xù)反饋打印輸出或者直接出現(xiàn)在你的屏幕上記錄在Jobname.OUT中或者被寫入某些其它人文件OUTPUT你可以在POST中應(yīng)用PRITER命令或者在POST26中應(yīng)用SOLU和PRVAR命令檢查這種類似的信息在你接受結(jié)果

36、前你應(yīng)當(dāng)確信你理解了你的分析的迭代歷程特別地不要忽視任何還沒有完全理解它們意思的程序錯誤和警告聲明作載荷和響應(yīng)歷程的曲線圖這種檢驗技巧可以認(rèn)為是兩種其它技巧的圖形結(jié)合對合理性的檢查和考察迭代歷程載荷和響應(yīng)歷程的POST26圖形表示應(yīng)當(dāng)和你所知道的你結(jié)構(gòu)特性的期望值相一致重要的結(jié)果位移反作用力應(yīng)力等等應(yīng)當(dāng)顯示出相對平滑的響應(yīng)歷程任何非平滑性可能表示采用了一個太粗略的時間步大應(yīng)變分析實例GUI方法在這個實例分析中我們將進(jìn)行一個兩塊鋼板壓一個圓盤的非線性分析問題描述由于上下兩塊鋼板的剛度比圓盤的剛度大得多鋼板與圓盤壁面之間的和摩擦足夠大因此在建模時只建立圓盤的模型用軸對稱單元模擬圓盤求解通過單一載荷

37、步來實現(xiàn)由于模型和載荷的上下對稱性我們只需建立圓盤的上半部分模型由于鋼板的剛度很大因此我們在建模時將圓盤上面結(jié)點的Y方向上的位移耦合起來又由于鋼板與圓盤壁面之間的和摩擦足夠大圓盤與鋼板之間不會產(chǎn)生滑動因此我們將圓盤上面結(jié)點的X方向的位移約束起來問題詳細(xì)說明下列材料性質(zhì)應(yīng)用于這個問題EX=1000（楊氏模量NUXY=0.35泊松比YieldStrength=1屈服強(qiáng)度TangMod=2.99剪切模量問題描述圖求解步驟步驟一建立模型給定邊界條件在這一步中建立計算分析所需要的模型定義單元類型材料性質(zhì)第8頁ANSYS非線形分析指南幾何非線形分析劃分網(wǎng)格給定邊界條件并將數(shù)據(jù)庫文件保存為exercise1.db在此對這一步的過程不作詳細(xì)敘述步驟二恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件exercise.dbUtilityMenuFileResumefrom步驟三進(jìn)入求解器MainMenusolution步驟四定義分析類型和選項選擇菜單路徑MainMenuSolution-AnalysisType-NewAnalysis.單擊Static來選中它然后單擊OK擇菜單路徑MainMenuSolutionAnalysisOptionsAnalysisOpt