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1、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； 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ANSYS Modeling and Meshing Guide。 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

2、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：Main MenuSolution-Analysis Type-So

3、ln Control），可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单（GUI： SolutionUnabridged Menuoption）。求解控制对话框的概况，见ANSYS Basic Analysis Guide3.11。 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：n Control）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

4、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。 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ANSYS Basic Analysis Guide指定分析类型 ANTYPE , NLGEOM 1.2.6.13.16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

5、 NSUBST 或 DELTIM 2.42.7.1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Large Displacement Static，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Restart Gurrent Analysis。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ANSYS Basic Analysis Guide。

6、 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ANSYS Basic Analysis Guide2。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

7、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ANSYS Basic Analysis Guide。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2.2.2.4 求解控制对话框-Soln Options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2-2参见指定方程求解器 EQSLV 2.2.2.7.1 ANSYS Basic Analysis Gu

8、ide3.2-3.10对多重启动指定参数 RESCONTROL 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激活线性搜索 LNSRCH 2.2.2.8.5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 4.42.2.3.2.1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-Advanced NL标

9、签 用 Advanced NL 标签设置的选项见 表2-4 。表2-4指定分析终止准则 NCNV 激活和终止弧长法的控制 ARCLEN , ARCTRM 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

10、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

11、，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

12、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； 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

13、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VALUETOLER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

14、面（i-1）次迭代之间的位移改变（u）上，u =u i -u i-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

15、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（VALUETOLER）比较 （同样也可以对单自由度的位移或旋转收敛进行类似的检查）。然而，在多自由度系统中，用户也许想使用不同的比较方法。 ANSYS程序提供三种不同的矢量范数用于收敛检查： 无穷范数在用户模型中的每一个自由度处重复单自由度检查； L1范数将收敛准则同所有自

16、由度的不平衡力（或力矩）的绝对值的总和相比较； L2范数使用所有自由度不平衡力（或力矩）的SRSS进行收敛检查。当然，对于位移收敛检查，可以执行附加的L1、L2检查。实例 对于下面例子，如果不平衡力（在每一个自由度处单独检查）小于或等于50000.0005（也就是2.5），且如果位移的改变（以SRSS检查）小于或等于100.001（也就是0.01），子步将认为是收敛的。 CNVTOL，F，5000，0.0005，0 CNVTOL，U，10，0.001，22.2.2.8.3 平衡迭代的最大次数 ANSYS的自动求解控制把NEQIT的值，根据问题的物理特性，设置为15到26次平衡迭代。应用小时间步

17、，可减少二次收敛迭代次数。 这个选项限制了一个子步中进行的最大平衡迭代次数（如关闭求解控制，缺省=25）。如果在这个平衡迭代次数之内不能满足收敛准则，且如果自动步长是打开的 AUTOTS ，分析将尝试使用二分法。如果二分法是不可能的，那么，分析将或者终止，或者进行下一个载荷步，依据用户在 NCNV 命令中发出的指示。2.2.2.8.4 预测修正选项 如不存在梁或壳单元，ANSYS的自动求解控制设置 PRED ，ON。如果当前子步的步长大大减小，PRED将关闭。对于瞬态分析，将关闭预测选项。 对于每一个子步的第一次平衡迭代，用户可以激活自由度求解的预测。这个特点将加速收敛，且如果非线性响应是相对

18、平滑的，它特别的有用。在包含大转动或粘弹的分析中它并不是非常有用。在大转动分析中，预测可能引起发散，因而不推荐使用。2.2.2.8.5 线性搜索选项 ANSYS的自动求解控制，将根据需要关闭或打开线性搜索。对大多数接触问题， LNSRCH 打开。对大多数非接触问题， LNSRCH 关闭。 这个收敛增强工具用程序计算出的比例因子（具有0和1之间的值）乘以计算出的位移增量。因为线性搜索算法是用来对自适应下降选项 NROPT 进行的替代，如果线性搜索选项是开，自适应下降不被自动激活。不建议用户同时激活线性搜索和自适应下降。 当存在强制位移时，只有至少有一次迭代的线性搜索值为1，计算才可以收敛。ANS

19、YS调节整个U矢量，包括强制位移值，否则，除了强制自由度处以外，一个小的位移值将随处发生。直到迭代中的某一次具有1的线性搜索值，ANSYS才施加全部位移值。2.2.2.8.6 步长缩减准则 为了更好地控制时间步长上的二分和缩减，应用 CUTCONTROL ， Lab ,VALUE,Option。缺省时，对于 Lab =PLSLIMIT（最大塑性应变增量极限），VALUE设置为15%。设这么大的值，是为避免由高塑性应变引起的不必要的二分，因为高塑性应变可能是由用户并不感兴趣的局部奇异引起。对于显式蠕变（Option=0）,Lab=CRPLIM（蠕变增量极限），VALUE设置为10%。这对蠕变分析

20、是一个合理的极限。对于隐式蠕变（Option=1）,缺省为无最大蠕变准则。但是用户可以指定蠕变率控制。对于二阶动力方程，每个周期的点数（Lab=NPOINT），缺省为VALUE=13，这样可以很小的代价获得有效精度。2.2.3 设置附加求解选项 本节论述的选项，不出现在求解对话框中。这些选项的缺省值，一般很少需要改变。2.2.3.1 求解控制对话框不能设置的高级分析选项2.2.3.1.1 应力刚化效应 为了考虑屈曲、分叉行为，ANSYS在所有几何非线性分析中，包括了应力刚化。如果用户有信心放弃这种效应，则可以关闭应力刚化效应（ SSTIF ，OFF）。在一些单元中，这个命令无作用，见ANSYS

21、 Elements Reference。 命令： SSTIF GUI：Analysis Options2.2.3.1.2 牛顿拉普森选项 在存在非线性时，ANSYS的自动求解控制将应用自适应下降关闭的完全牛顿拉普森选项。但在应用点-点，点-面接触单元的摩擦接触分析中，自适应下降功能是自动打开的（如CONTAC12、CONTAC48、CONTAC49、CONTAC52单元）。下伏接触单元需要自适应下降才能收敛。 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。如果用户不想采用缺省值，可以指定这些值中的一个： 程序选择（ NROPT ,ANTO）：程序基于

22、用户模型中存在的非线性种类选用这些选项中的一个。需要时牛顿拉普森方法将自动激活自适应下降。 完全牛顿拉普森法（ NROPT ,FULL）；程序使用完全的牛顿拉普森方法。在这种处理方法中，每进行一次平衡迭代，就修改刚度矩阵一次。 如果自适应下降是打开（可选），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，但它只支持ANSYS Element Re

23、ference中由单元输入汇总表中的“Special Features”指明的单元（见ANSYS Element Reference表4.n.1，其中n为单元编号）。 修正的牛顿拉普森法（ NROPT ,MODI）：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。自适应下降不可用。 初始刚度牛顿拉普森法（ NROPT ,INIT）：在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵。这一选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛。它不适用于大变形分析。 不对称矩阵完全牛顿拉普森方法 （ NROP

24、T ,UNSYM）：应用完全牛顿拉普森方法，刚度矩阵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种情况中可以应用的不对称矩阵： 如用户在运行压力产生的破坏分析，不对称的压力荷载刚度可能有助于取得收敛。可应用 SOLCONTROL ,INCP 命令来包括荷载刚度。 如果应用 TB ,USER 命令定义不对称材料模型，则需要用 NROPT ,UNSYM 命令来充分应用所定义的特性。 如进行接触分析，不对称接触刚度矩阵可以完全地耦合滑动和法向刚度。见5.4。用户应首先试验 NROPT ,FULL 命令；然后如果收敛困难的话，再试验 NROPT ,UNSYM 命令。注意，应用不对称求解器需

25、要比对称求解器更多的计算机时间。 如果模型有多态单元，则将在状态改变时进行叠代修正，而不管牛顿拉普森选项设置如何。2.2.3.2 求解控制对话框不能设置的高级荷载步选项2.2.3.2.1 蠕变准则 如果结构表现出蠕变行为，可以指定蠕变准则用于自动时间步调整 CRPLIM , CRCR , Option （如果自动时间步长 AUTOTS 关闭，蠕变准则无效）。程序将对所有单元计算蠕应变增量（在最近时间步中蠕变的变化 cr ）对弹性应变 el 的比值。如果最大比值比判据 CRCR 大，程序将减小下一个时间步长；如果小，程序或许增加下一个时间步长（同样，程序将把自动时间步长建立在平衡迭代次数、即将发

26、生的单元状态改变以及塑性应变增量的基础上。时间步长将被调整到对应这些项目中的任何一个所计算出的最小值）。对于显式蠕变（ OPTION =0），如果比值 cr/ el 高于0.25的稳定界限，且如果时间增量不能被减小，解可能发散且分析将由于错误信息而终止。这个问题可以通过使最小时间步长足够小来避免 DELTIM 和 NSUBST 。对于隐式蠕变（ OPTION =1），缺省无最大蠕变极限，但用户可以指定任意的蠕变率控制。 CRPLIM-Load Step Opts- NonlinearCreep Criterion 注意 -如果在分析中不需要包括蠕变效应，则应用 RATE 命令及 Option=OFF，或把时间步设置成比前一个时间步长些，但不大于1.0e-6。2.2.3.2.2 时间步开放控制 这个选项可用于热分析（记住用户不能通过求解控制对话框来设置热分析选项，必须用ANSYS标准命令集或相应菜单来设置）。这个选项的主要应用是最终温度达到稳态的非稳态热分析。在这种情况下，时间步可很快开放。其缺省值是，如果TEMP增量在三个连续子步中小于0.1（NUMSTEP=3），则时间步大小可以为“开放”（缺省值=0.1）。然后时间步被连续增加以加快求解效率，。 OPNCONTROL-Lo