ANSYSWorkbench結(jié)構(gòu)非線性培訓(xùn)一般過程解析課件

1、Workbench Mechanical結(jié)構(gòu)非線性第二章一般過程第1頁，共29頁。這章介紹一般工具和程序，不是對(duì)特殊來源非線性的詳細(xì)介紹, 但介紹了達(dá)到收斂的有用措施和后處理結(jié)果:建立非線性模型分析設(shè)置非線性結(jié)果后處理作業(yè)章節(jié)概述第2頁，共29頁。A. 建立非線性模型什么是建立非線性模型與線性模型的不同?某些情況，它們沒有不同!承受大變形和應(yīng)力硬化效應(yīng)的輕微非線性行為可能不需要對(duì)幾何和網(wǎng)格進(jìn)行修正.另外情況, 則必須包含特殊特征:特定屬性的單元 (如接觸單元)第3，4章中討論非線性材料數(shù)據(jù) (如塑性應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)) 第5，6章中討論包括克服導(dǎo)致收斂問題奇異性的幾何特征. (如. 增加尖角的半徑

2、)需要特別注意:大變形下的網(wǎng)格控制考慮事項(xiàng)非線性材料大變形的單元技術(shù)選項(xiàng)大變形下的加載和邊界條件的限制第3頁，共29頁。對(duì)于網(wǎng)格, 如果預(yù)期有大應(yīng)變, 形狀檢查選項(xiàng)應(yīng)改為 “Aggressive”對(duì)大變形分析, 如果單元形狀改變, 會(huì)減小求解的精度使用 “Aggressive” 形狀檢查, WB-Mechanical保證求解之前網(wǎng)格的質(zhì)量更好，以預(yù)見在大應(yīng)變分析過程中單元的扭曲。“Standard” 形狀檢查的質(zhì)量對(duì)線性分析很合適，因此在線性分析中不需要改變它。當(dāng)設(shè)置成 “aggressive” 形狀檢查時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格失效 。WB-Mechanical Intro中介紹了檢測(cè)和修補(bǔ)網(wǎng)格失

3、效的方法。. 建立非線性模型第4頁，共29頁。對(duì)任何結(jié)構(gòu)單元, DOF(自由度)求解Du 是對(duì)節(jié)點(diǎn)求解應(yīng)力和應(yīng)變是在積分點(diǎn)計(jì)算. 由DOF推導(dǎo)而來. 例如, 可由位移確定應(yīng)變 ，經(jīng):這里 B 稱為 應(yīng)變-位移矩陣右圖所示的一 4節(jié)點(diǎn)四邊形單元有 2x2個(gè)積分點(diǎn), 紅點(diǎn)為積分點(diǎn).在后處理結(jié)果中, 積分點(diǎn)的應(yīng)力/應(yīng)變值經(jīng)外插值或復(fù)制到節(jié)點(diǎn)位置。 線性結(jié)果是外插值的非線性結(jié)果是復(fù)制的s, eu. 建立非線性模型第5頁，共29頁。Element Control 設(shè)為 Manual, 用戶可手動(dòng)觸發(fā)完全或縮減積分這個(gè)選型影響單元內(nèi)積分點(diǎn)的數(shù)量.僅適用于高階單元.當(dāng)一部件厚度方向只有一個(gè)單元時(shí)，強(qiáng)制使用完

4、全積分有助于提高精確度. . 建立非線性模型第6頁，共29頁。WB Mechanical 默認(rèn)采用高階單元(有中節(jié)點(diǎn))來劃分網(wǎng)格.用戶可使用選項(xiàng)來放棄中節(jié)點(diǎn)大變形中, 對(duì)幾乎或完全不可壓縮非線性材料的彎曲為主問題, 有時(shí)候放棄中間節(jié)點(diǎn)允許程序自動(dòng)執(zhí)行增強(qiáng)應(yīng)變公式是有利的參考附錄 B，討論更多單元技術(shù)細(xì)節(jié). . 建立非線性模型20-節(jié)點(diǎn)六面體8-節(jié)點(diǎn)六面體保留中節(jié)點(diǎn)(二次形狀函數(shù))放棄中節(jié)點(diǎn)(線性形狀函數(shù))第7頁，共29頁。大變形分析中，注意載荷的方向及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是很重要的:載荷類型變形前的方向變形后的方向加速度（恒定方向）壓力（始終垂直于表面）. 建立非線性模型集中力， 彎矩，螺栓載荷 （

5、恒定方向）第8頁，共29頁。非線性求解有什么不同?Multiple matrix solutions:線性靜力問題，矩陣方程求解器只需要一次求解 (左圖)非線性的每次迭代需要新的求解 (右圖 ).B. 獲得非線性求解KFuFu1234F = KuFi = KiuiKi第9頁，共29頁。非線性求解有什么不同?非線性分析中有許多選項(xiàng)設(shè)置需要考慮. 載荷步控制 - 載荷步和子步求解器控制 - 求解器類型非線性控制 - N-R 收斂準(zhǔn)則輸出控制 - 控制載荷歷史中保存的數(shù)據(jù) 下面幻燈片中討論每個(gè)工具.獲得非線性求解第10頁，共29頁。載荷步控制載荷步控制下的“自動(dòng)時(shí)間步”, 使用戶可定義每個(gè)加載步的初

6、始，最小和最大子步數(shù).如果WB-Mechanical 有收斂問題, 將使用自動(dòng)時(shí)間步對(duì)求解進(jìn)行二分.二分會(huì)以更小的增量施加載荷(在指定范圍內(nèi)使用更多的子步) 從最后成功收斂的子步重新開始. 獲得非線性求解第11頁，共29頁。載荷步控制 (contd)如果沒有定義 (Auto Time Stepping = Program Controlled), WB-Mechanical將根據(jù)模型的非線性特性自動(dòng)設(shè)定.如果使用缺省的自動(dòng)時(shí)間步設(shè)置, 用戶應(yīng)通過在運(yùn)行開始查看求解信息和二分來校核這些設(shè)置.更多細(xì)節(jié)在第7章 “非線性診斷” 中討論. 獲得非線性求解第12頁，共29頁。求解器控制求解器類型有Dir

7、ect 和Iterative.這涉及到程序代碼對(duì)每次Newton-Raphson 平衡迭代建立剛度矩陣的方式.直接(稀疏) 求解器適用于非線性模型和非連續(xù)單元(殼和梁).迭代 (PCG) 求解器更有效(運(yùn)行時(shí)間更短) ，適合于線彈性行為的大模型.默認(rèn)的 Program Controlled” 將基于當(dāng)前問題自動(dòng)選擇求解器. 獲得非線性求解第13頁，共29頁。求解器控制 (contd)在Analysis Settings的Solver Control中，設(shè)置 “Large Deflection” = ON: 多次迭代后調(diào)整剛度矩陣以考慮分析過程中幾何的變化.也包括應(yīng)力硬化效應(yīng). 獲得非線性求解第

8、14頁，共29頁。非線性控制自動(dòng)計(jì)算收斂容差. 在 Newton-Raphson 迭代過程中用來確定模型何時(shí)收斂或 “平衡”默認(rèn)收斂準(zhǔn)則適用于大多工程應(yīng)用.對(duì)特殊情形, 用戶可不考慮缺省值而收緊或放松收斂容差.加緊的收斂容差給出更高精確度，但可能使收斂更加困難. 獲得非線性求解第15頁，共29頁。非線性控制 (Contd)如果模型中有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(如. 出現(xiàn)梁/或殼單元的時(shí)候) ，力平衡外還要增加力矩平衡. . 獲得非線性求解第16頁，共29頁。非線性控制 (contd)可增加位移和/或轉(zhuǎn)動(dòng) DOF 值的平衡檢查，作為對(duì)力 /力矩平衡的補(bǔ)充. 出現(xiàn)接觸非線性的時(shí)候, 默認(rèn)的并不包括這些額外的檢查

9、，因?yàn)樗鼈儽徽J(rèn)為是會(huì)過度限制并可導(dǎo)致不必要的發(fā)散. 獲得非線性求解第17頁，共29頁。力收斂圖中顯示了力的準(zhǔn)則和殘余力 (“收斂力”). 當(dāng)殘余力小于準(zhǔn)則值，認(rèn)為子步收斂.求解信息圖中也分別用綠色和藍(lán)色折線顯示了收斂子步和載荷步. 獲得非線性求解ResidualCriteria第18頁，共29頁。非線性控制 (contd)如改變收斂準(zhǔn)則, 程序會(huì)刪除所有默認(rèn)的準(zhǔn)則!例如, 如果要增加位移收斂檢查，則力收斂檢查將被刪除. 保證重新建立力收斂準(zhǔn)則.重新定義收斂準(zhǔn)則后, 應(yīng)該確認(rèn)求解信息窗口的信息，以確保預(yù)期的平衡檢查是激活的. 獲得非線性求解第19頁，共29頁。為什么必須重新建立力收斂準(zhǔn)則 ?只依

10、賴位移收斂檢查某些情況會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果.Big Residual因?yàn)橐晕灰茷榛A(chǔ)的收斂僅提供表現(xiàn)收斂的相對(duì)量度, 只用來作為對(duì)以力為基礎(chǔ)的收斂的補(bǔ)充.以力為基礎(chǔ)的收斂提供了收斂量的絕對(duì)量度, 因?yàn)樗莾?nèi)部和外部力間平衡的度量. 獲得非線性求解第20頁，共29頁。非線性控制 (contd)最小參考值 (MINREF) 是一安全值，可阻止求解嘗試收斂到零 .如自由體 (無約束的) 系統(tǒng)或機(jī)械裝置沒有外力作用, 準(zhǔn)則 (eR * |F|2) 將為零. 如果準(zhǔn)則為零, 求解不會(huì)收斂!在這種情況,程序重新定義準(zhǔn)則為 (eR * MINREF). 這里 eR 是收斂容差值.分析使用的MINREF缺省值取決

11、于問題的物理性質(zhì). 獲得非線性求解第21頁，共29頁。非線性控制 (contd)線性搜索是加強(qiáng)收斂的附加工具. 激活時(shí),當(dāng)探測(cè)到硬化響應(yīng),線性搜索利用01間的程序計(jì)算的比例因子乘以位移增量, 典型的是在接觸應(yīng)用中.默認(rèn)的程序在出現(xiàn)接觸單元的時(shí)候打開線性搜索. 可以不管默認(rèn)設(shè)置，選擇打開或關(guān)閉. 獲得非線性求解第22頁，共29頁。收斂準(zhǔn)則指導(dǎo):大多時(shí)候可很好應(yīng)用默認(rèn)收斂準(zhǔn)則.很少需要改變準(zhǔn)則.為收緊或放松準(zhǔn)則, 不改變默認(rèn)參考值, 但是改變?nèi)莶钜蜃右坏絻蓚€(gè)量級(jí).不采用 “放松” 準(zhǔn)則來消除收斂困難.這會(huì)簡單地使求解收斂于錯(cuò)誤的結(jié)果!收緊準(zhǔn)則需要更多的平衡迭代.察看求解中的 MINREF 警告消息

12、. 確保使用的最小參考值對(duì)求解的問題來說是有意義的. 獲得非線性求解第23頁，共29頁。查看非線性結(jié)果有什么不同?查看非線性結(jié)果過程和線性問題的相似. 不同的是通常有更多的信息多個(gè)結(jié)果集每個(gè)結(jié)果集含有更多信息 (如 接觸狀態(tài), 壓力, 滲透, 塑性應(yīng)變.等).非線性分析會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)歷程響應(yīng)歷程動(dòng)畫響應(yīng)歷程曲線圖C. 查看非線性結(jié)果第24頁，共29頁。對(duì)大變形問題, 通常應(yīng)從Result工具欄按實(shí)際比例縮放來查看變形任何結(jié)構(gòu)結(jié)果都應(yīng)該被查詢到, 如下所示的等效應(yīng)力 模型所示是一裝配例子. 查看非線性結(jié)果第25頁，共29頁。如果定義了接觸, 接觸工具可用來對(duì)接觸相關(guān)結(jié)果進(jìn)行后處理 (壓力, 滲透, 摩擦應(yīng)力,