非线性1基本过程.docx

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非线性1基本过程

1．1结构分析概述

在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。

静力分析---用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。

静力分析包括线性和非线性分析。

而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变。

模态分析---用于计算结构的固有频率和模态。

谐波分析---用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。

瞬态动力分析---用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。

谱分析---是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。

曲屈分析---用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。

ANSYS可进行线性（特征值）和非线性曲屈分析。

显式动力分析---ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。

此外，前面提到的七种分析类型还有如下特殊的分析应用：

断裂力学、复合材料、疲劳分析、p-Method

1．2结构线性静力分析

静力分析的定义

静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。

静力分析中的载荷

静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移，应力，应变和力。

固定不变的载荷和响应是一种假定；即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

●外部施加的作用力和压力

●稳态的惯性力（如中力和离心力）

●位移载荷

●温度载荷

1．3结构非线性静力分析

非线性类型：

大变形，塑性，蠕变，应力刚化，接触单元，超弹性单元等。

非线性结构的定义

如果将下面例子所载荷变形曲线画出来,显示非线性结构的基本特征--变化的结构刚性.

图1─1非线性结构行为的普通例子

状态变化

许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为。

轴承套可能是接触的,也可能是不接触的。

系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。

状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。

ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。

接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。

几何非线性

如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。

一个例的垂向刚性）。

随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。

图1─2钓鱼杆示范几何非线性

材料非线性

非线性的应力──应变关系是结构非线性名的常见原因。

许多因素可以影响材料的应力──应变性质，包括加载历史（如在弹─塑性响应状况下），环境状况（如温度），加载的时间总量（如在蠕变响应状况下）。

ANSYS程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。

图1─3（b）描述了在单自由度非线性分析中牛顿－拉普森平衡迭代的使用。

在每次求解前，NR方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值。

程序然后使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。

如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。

持续这种迭代过程直到问题收敛。

ANSYS程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降，线性搜索，自动载荷步，及二分等，可被激活来加强问题的收敛性，如果不能得到收敛，那么程序或者继续计算下一个载荷前或者终止（依据你的指示）。

对某些物理意义上不稳定系统的非线性静态分析，如果你仅仅使用NR方法，正切刚度矩阵可能变为降秩短阵，导致严重的收敛问题。

这样的情况包括独立实体从固定表面分离的静态接触分析，结构或者完全崩溃或者“突然变成”另一个稳定形状的非线性弯曲问题。

对这样的情况，你可以激活另外一种迭代方法，弧长方法，来帮助稳定求解。

弧长方法导致NR平衡迭代沿一段弧收敛，从而即使当正切刚度矩阵的倾斜为零或负值时，也往往阻止发散。

这种迭代方法以图形表示在图1─4中。

图1─4传统的NR方法与弧长方法的比较

非线性求解的组织级别

分线性求解被分成三个操作级别：

载荷步、子步、平衡迭代。

·“顶层”级别由在一定“时间”范围内你明确定义的载荷步组成。

假定载荷在载荷步内是线性地变化的。

·在每一个载荷是步内，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）。

·在每一个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解。

图1─5说明了一段用于非线性分析的典型的载荷历史。

图1─5载荷步、子步、及“时间”

收敛容限

当你对平衡迭代确定收敛容限时，你必须答这些问题：

·你想基于载荷，变形，还是联立二者来确定收敛容限？

·既然径向偏移（以弧度度量）比对应的平移小，你是不是想对这些不同的条目建立不同的收敛准则？

当你确定收敛准则时，ANSYS程序会给你一系列的选择：

你可以将收敛检查建立在力，力矩、位移、转动或这些项目的任意组合上。

另外，每一个项目可以有不同的收敛容限值。

对多自由度问题，你同样也有收敛准则的选择问题。

当你确定你的收敛准则时，记住以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移为基础的收敛仅提供了表观收敛的相对量度。

因此，你应当如果需要总是使用以力为基础（或以力矩为基础的）收敛容限。

如果需要可以增加以位移为基础（或以转动为基础的）收敛检查，但是通常不单独使用它们。

图1─6说明了一种单独使用位移收敛检查导致出错情况。

在第二次迭代后计算出的位移很小可能被认为是收敛的解，尽管问题仍旧远离真正的解。

要防止这样的错误，应当使用力收敛检查。

图1─6完全依赖位移收敛检查有时可能产生错误的结果。

保守行为与非保守行为：

过程依赖性

如果通过外载输入系统的总能量当载荷移去时复原，我们说这个系统是保守的。

如果能量被系统消耗（如由于塑性应变或滑动摩擦），我们说系统是非保守的，一个非守恒系统的例子显示在图1─7。

一个保守系统的分析是与过程无关的：

通常可以任何顺序和以任何数目的增量加载而不影响最终结果。

相反地，一个非保守系统的分析是过程相关的；必须紧紧跟随系统的实际加载历史，以获得精确的结果。

如果对于给定的载荷范围，可以有多于一个的解是有效的（如在突然转变分析中）这样的分析也可能是过程相关的。

过程相关问题通常要求缓慢加载（也就是，使用许多子步）到最终的载荷值。

图1─7非守恒（过程相关的）过程

子步

当使用多个子步时，你需要考虑精度和代价之间的平衡；更多的子步骤（也就是，小的时间步）通常导致较好的精度，但以增多的运行时间为代价。

ANSYS提供两种方法来控制子步数：

·子步数或时间步长

我们即可以通过指定实际的子步数也可以通过指定时间步长控制子步数。

·自动时间步长

ANSYS程序，基于结构的特性和系统的响应，来调查时间步长

子步数

如果你的结构在它的整个加载历史期间显示出高度的非线性特点，而且你对结构的行为子解足够好可以确保深到收敛的解，那么你也许能够自己确定多小的时间步长是必需的，且对所有的载荷步使用这同一时间步。

（务必允许足够大的平衡迭代数）。

自动时间分步

如果你预料你的结构的行为将从线性到非线性变化，你也许想要在系统响应的非线性部分期间变化时间步长。

在这样一种情况，你可以激活自动时间分步以便随需要调整时间步长，获得精度和代价之间的良好平衡。

同样地，如果你不确信你的问题将成功地收敛，你也许想要使用自动时间分步来激活ANSYS程序的二分特点。

二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法。

无论何时只要平衡迭代收敛失败，二分法将把时间步长分成两半，然后从最后收敛的子步自动重启动，如果已二分的时间步再次收敛失败，二分法将再次分割时间步长然后重启动，持续这

一过程直到获得收敛或到达最小时间步长（由你指定）。

载荷和位移方向

当结构经历大变形时应该考虑到载荷将发生了什么变化。

在许多情况中，无论结构如何变形施加在系统中的载荷保持恒定的方向。

而在另一些情况中，力将改变方向，随着单元方向的改变而变化。

ANSYS程序对这两种情况都可以建模，依赖于所施加的载荷类型。

加速度和集中力将不管单元方向的改变而保持它们最初的方向，表面载荷作用在变形单元表面的法向，且可被用来模拟“跟随”力。

图1─8说明了恒力和跟随力。

注意──在大变形分析中不修正结点坐标系方向。

因此计算出的位移在最初的方向上输出。

图1─8变形前后载荷方向

非线性瞬态过程的分析

用于分析非线性瞬态行为的过程，与对线性静态行为的处理：

相似以步进增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。

静态和瞬态处理的主要不同是在瞬态过程分析中要激活时间积分效应。

（因此，在瞬态过程分析中“时间”总是表示实际的时序。

）自动时间分步和二等分特点同样也适用于瞬态过程分析。

非线性分析中用到的命令

使用与任何其它类型分析的同一系列的命令来建模和进行非线性分析。

同样，无论你正在进行何种类型的分析，你可从用户图形界面GUI选择相似的选项来建模和求解问题。

本章后面的部分”非线性实例分析（命令），给你显示了使用批处理方法用ANSYS分析一个非线性分析时的一系列命令。

另一部分“非线性实例分析（GUI方法）”，给你显示了如何从ANSYS的GUI中执行同样的例子分析。

非线性分析步骤综述

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适当过程中，添加了需要的非线形特性。

如何进行非线性静态分析

步骤1：

建模

步骤2：

加载且得到解

在这一步中，你定义分析类型和选项，指定载荷步选项，开始有限无求解。

既然非线性求解经常要求多个载荷增量，且总是需要平衡迭代，它不同于线性求解。

处理过程如下：

1、进入ANSYS求解器

命令：

/Solution

GUI：

MainMenu>Solution

2、定义分析类型及分析选项。

分析类型和分析选项在第一个载荷步后（也就是，在你发出你的第一个SOLVL命令之后）不能被改变。

选项：

新的分析〔ANTYPE〕

一般情况下会使用NewAnalysis（新的分析）。

选项：

分析类型：

静态〔ANTYPE〕

选择Static（静态）。

选项：

大变形或大应变选项（GEOM）

并不是所有的非线性分析都将产生大变形。

参看：

“使用几何非线性”对大变型的进一步讨论。

选项：

应力刚化效应〔SSTIF〕

如果存在应力刚化效应选择ON。

选项：

牛顿－拉普森选项〔NROPT〕

仅在非线性分析中使用这个选项。

这个选项指定在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵。

你可以指定这些值中的一个。

·程序选择（NROPT，ANTO）：

程序基于你模型中存在的非线性种类选择用这些选项中的一个。

在需要时牛顿－拉普森方法将自动激活自适应下降。

·全〔NROPT，FNLL〕；程序使用完全的牛顿－拉普森处理方法，在这种处理方法中每进行一次平衡迭代修改刚度矩阵一次。

如果自适应下降是关闭的，程序每一次平衡迭代都使用正切刚度矩阵。

（我们一般不建议关闭自适应下降，但是你或许发现这样做可能更有效。

）如果自适应下降是打开的（缺省），只要迭代保持稳定（也就是，只要残余项减小，且没有负主对角线出现）程序将仅使用正切刚度阵。

如果在一次迭代中探测到发散倾向，程序抛弃发散的迭代且重新开始求解，应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。

当迭代回到收敛模式时，程序将重新开始使用正切刚度矩阵。

对复杂的非线性问题自适应下降通常将提高程序获得收敛的能力。

·修正的（NROPT，MODI）：

程序使用修正的牛顿－拉普森方法，在这种方法中正切刚度矩阵在每一子步中都被修正。

在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。

这个选项不适用于大变形分析。

自适应下降是不可用的

·初始刚度（NROPT，INIT）：

程序在