ANSYS非线性分析.ppt

2 对于许多工程问题，结构的刚度是变化的，必须用非线性对于许多工程问题，结构的刚度是变化的，必须用非线性理论解决。在工程问题中，会经常遇到非线性结构分析问理论解决。在工程问题中，会经常遇到非线性结构分析问题，并且实际问题中大多都为非线性的。在工程静力的章题，并且实际问题中大多都为非线性的。在工程静力的章节中提到，静力分析包括线性和非线性分析，在本章我们节中提到，静力分析包括线性和非线性分析，在本章我们来学习一下非线性分析。来学习一下非线性分析。ANSYS14.5为用户提供了强大的为用户提供了强大的非线性分析功能，可以对常见的非线性问题进行很方便的非线性分析功能，可以对常见的非线性问题进行很方便的求解分析。本章介绍了使用求解分析。本章介绍了使用ANSYS进行非线性分析的一进行非线性分析的一般步骤，并对其中的参数设置做了说明，最后通过综合实般步骤，并对其中的参数设置做了说明，最后通过综合实例对例对ANSYS非线性功能。非线性功能。311.1 非线性分析概述非线性分析概述11.2 结构非线性分析结构非线性分析11.3 几何非线性几何非线性11.4 材料非线性分析材料非线性分析11.5 屈曲分析屈曲分析11.6 综合实例综合实例1悬臂梁的非线性屈曲分析悬臂梁的非线性屈曲分析11.7 综合实例综合实例2平板蠕变分析平板蠕变分析11.8 本章小结本章小结4非线性问题可以分为三类。第一类是属于结构非线性，第非线性问题可以分为三类。第一类是属于结构非线性，第二类是属于几何非线性，第三类是属于材料非线性。结构二类是属于几何非线性，第三类是属于材料非线性。结构非线性表现出的是一种与状态相关的非线性，几何非线性非线性表现出的是一种与状态相关的非线性，几何非线性问题是由结构变形的大位移所造成的，而材料非线性指的问题是由结构变形的大位移所造成的，而材料非线性指的是材料的物理定律是非线性的。材料非线性问题又可以分是材料的物理定律是非线性的。材料非线性问题又可以分为非线性弹性问题和非线性弹塑性问题两类。它们在本质为非线性弹性问题和非线性弹塑性问题两类。它们在本质上是相同的。上是相同的。511.1.1 结构非线性的概念结构非线性的概念结构非线性的问题在日常生活中经常遇到。例如在汽车行结构非线性的问题在日常生活中经常遇到。例如在汽车行业中，车门的下沉问题，输电线路的松弛情况等，这些系业中，车门的下沉问题，输电线路的松弛情况等，这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化。如果将他们的所受统的刚度由于系统状态的改变而变化。如果将他们的所受载荷变形用曲线描述，就会发现其共有的特征（非线性结载荷变形用曲线描述，就会发现其共有的特征（非线性结构的基本特征）：结构刚度的改变。这些系统的刚度由于构的基本特征）：结构刚度的改变。这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化。状态的改变或许与载荷有直接关系统状态的改变而变化。状态的改变或许与载荷有直接关系，也可能与外部原因有关。系，也可能与外部原因有关。611.1.2 非线性分析的基础知识非线性分析的基础知识1.方程的非线性求解方法方程的非线性求解方法 ANSYS的方程求解器是通过计算联立方程组来预测工程系统的响应。但是，的方程求解器是通过计算联立方程组来预测工程系统的响应。但是，非线性结构求解不能直接用联立的方程组来表示。需要一些系列的带校正的线性非线性结构求解不能直接用联立的方程组来表示。需要一些系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。一种近似的非线性求解是将载荷分成一步步的载荷增量近似来求解非线性问题。一种近似的非线性求解是将载荷分成一步步的载荷增量，可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一载，可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一载荷增量求解完成后，在进行下一步计算之前，荷增量求解完成后，在进行下一步计算之前，ANSYS会调整刚度矩阵以反应结构会调整刚度矩阵以反应结构刚度的非线性变化，但是，增量不可避免的会产生积累，误差也就随着叠加，最刚度的非线性变化，但是，增量不可避免的会产生积累，误差也就随着叠加，最终会使结果发散。针对上述问题，终会使结果发散。针对上述问题，ANSYS通过牛顿拉普森平衡迭代解决，它使每通过牛顿拉普森平衡迭代解决，它使每一个载荷增量的末端解在可接受的范围内达到平衡收敛。一个载荷增量的末端解在可接受的范围内达到平衡收敛。ANSYS还通过自适应下还通过自适应下降、线性搜索、自动载荷步及二分发等命令来增强问题的收敛性，如果不能得到降、线性搜索、自动载荷步及二分发等命令来增强问题的收敛性，如果不能得到收敛，那么用户可以决定是否继续计算。收敛，那么用户可以决定是否继续计算。7在某些非线性静态分析，如果仅仅使用牛顿拉普森方法，在某些非线性静态分析，如果仅仅使用牛顿拉普森方法，正切刚度矩阵可能变为奇异矩阵，导致严重收敛问题。这正切刚度矩阵可能变为奇异矩阵，导致严重收敛问题。这样的情况包括结构完全崩溃或者样的情况包括结构完全崩溃或者“跳跃跳跃”到另一个稳定形到另一个稳定形状的非线性屈曲问题。针对这依情况，用户可以通过弧长状的非线性屈曲问题。针对这依情况，用户可以通过弧长方法来避免分叉点和跟踪卸载。弧长方法会使牛顿拉普森方法来避免分叉点和跟踪卸载。弧长方法会使牛顿拉普森平衡迭代沿一段弧收敛，这种方法即使载荷平衡迭代沿一段弧收敛，这种方法即使载荷挠度曲线的挠度曲线的倾角为零或负值时也可以阻止发散。倾角为零或负值时也可以阻止发散。82.非线性求解级别非线性求解级别非线性求解分为非线性求解分为3个级别：载荷步、子步、平衡迭代。个级别：载荷步、子步、平衡迭代。顶层级别为载荷步级别，载荷步是在一定顶层级别为载荷步级别，载荷步是在一定“时间时间”范围内范围内用户明确定义的，并且假定载荷在载荷步内线性变化。用户明确定义的，并且假定载荷在载荷步内线性变化。在每一个载荷步内，为了逐步加载，可以控制程序来执行在每一个载荷步内，为了逐步加载，可以控制程序来执行多次子步求解。多次子步求解。在每个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代来得到最终在每个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代来得到最终的收敛解。的收敛解。93.保守行为与非保守行为保守行为与非保守行为保守系统：通过外载输入系统的总能量在载荷移去时复原保守系统：通过外载输入系统的总能量在载荷移去时复原。保守系统的分析与过程无关，以任何顺序和任何数目的。保守系统的分析与过程无关，以任何顺序和任何数目的增量加载都不影响最终结果。增量加载都不影响最终结果。非保守系统：能量被系统消耗。非保守系统的分析是过程非保守系统：能量被系统消耗。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，才能获得精相关的，必须紧紧跟随系统的实际加载历史，才能获得精确的结果。确的结果。104.子步子步当使用多个子步时，需要考虑度和计算时间的平衡；更多当使用多个子步时，需要考虑度和计算时间的平衡；更多的子步通常导致较高的精度，但是也增加了计算时间。的子步通常导致较高的精度，但是也增加了计算时间。ANSYS通过两种方法来控制子步数。通过两种方法来控制子步数。 1）子步数或时间步长）子步数或时间步长通常可以通过指定实际的子步数或时间步长来控制子步数通常可以通过指定实际的子步数或时间步长来控制子步数。如果结构在整个加载时期显示出高度的非线性，并确保。如果结构在整个加载时期显示出高度的非线性，并确保解集收敛，则可以使用小的时间步长，可以对所有的载荷解集收敛，则可以使用小的时间步长，可以对所有的载荷步使用。步使用。11 2）自动时间步长）自动时间步长ANSYS基于结构的特性个系统的响应来调整时间步长。基于结构的特性个系统的响应来调整时间步长。如果结构从线性到非线性变化，或者想要在系统响应的非如果结构从线性到非线性变化，或者想要在系统响应的非线性部分期间变化时间步长，则可以根据需要使用自动时线性部分期间变化时间步长，则可以根据需要使用自动时间步长来调整时间步长，从而使精度与时间达到平衡。间步长来调整时间步长，从而使精度与时间达到平衡。二分法是一种对收敛失败自动矫正的方法，在不能确保问二分法是一种对收敛失败自动矫正的方法，在不能确保问题收敛时可以使用二分法。此方法将把时间步长分成两部题收敛时可以使用二分法。此方法将把时间步长分成两部分，然后从最后收敛的子步自动重启动。分，然后从最后收敛的子步自动重启动。125.载荷和位移方向载荷和位移方向当结构经历大变形时应该考虑到载荷怎样变化，在大多数当结构经历大变形时应该考虑到载荷怎样变化，在大多数情况下，无论结构如何变形，施加在系统中的载荷保持恒情况下，无论结构如何变形，施加在系统中的载荷保持恒定的方向。而在少数情况中，力将改变方向，随着单元方定的方向。而在少数情况中，力将改变方向，随着单元方向的改变而变化。向的改变而变化。136.非线性瞬态分析非线性瞬态分析非线性瞬态分析方法，与线性静态分析方法相似：以步进非线性瞬态分析方法，与线性静态分析方法相似：以步进增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。静态和瞬态分增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。静态和瞬态分析的主要不同点在于瞬态分析需要激活时间积分效应。所析的主要不同点在于瞬态分析需要激活时间积分效应。所以，在瞬态分析过程中，以，在瞬态分析过程中，“时间时间”表示的是实际的时序。表示的是实际的时序。自动时间步长和二分法同样也适用于瞬态分析。自动时间步长和二分法同样也适用于瞬态分析。1411.2.1 非线性静态分析的步骤非线性静态分析的步骤虽然非线性分析比线性分析变得复杂，但基本的操作相同虽然非线性分析比线性分析变得复杂，但基本的操作相同。只是在非线形分析的适当过程中，添加了需要的非线形。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。非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。如同特性。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几个步骤组成：建模任何静态分析，处理流程主要由以下几个步骤组成：建模；设置求解控制；设置其他求解选项；施加载荷；求解；设置求解控制；设置其他求解选项；施加载荷；求解；查看分析结果。查看分析结果。15 11.2.1.1 建模建模线性和非线性分析都是相同的方法，非线性分析在这一步线性和非线性分析都是相同的方法，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。如果模型中包中可能包括特殊的单元或非线性材料性质。如果模型中包含大应变效应，应力含大应变效应，应力应变数据必须依据真实应力和真实应变数据必须依据真实应力和真实(或对数或对数)应变表示。建模包括指定工作文件名和分析标题，应变表示。建模包括指定工作文件名和分析标题，定义单元类型、实常数、材料属性、创建几何模型和划分定义单元类型、实常数、材料属性、创建几何模型和划分网格。网格。16 11.2.1.2 设置求解控制设置求解控制设置求解控制包括定义分析类型、一般分析选项和指定载设置求解控制包括定义分析类型、一般分析选项和指定载荷步选项。在作非线性结构静力分析时，可以应用求解控荷步选项。在作非线性结构静力分析时，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力分析提供了制对话框来设置。该对话框对许多非线性静力分析提供了缺省设置。求解控制对话框是非线性静力分析的推荐工具缺省设置。求解控制对话框是非线性静力分析的推荐工具，我们在下面将详细论述。，我们在下面将详细论述。171.进入求解控制对话框进入求解控制对话框 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Analysis Type】/【Soln Controls】弹出求解控制对话框，如图弹出求解控制对话框，如图11-1所示。此时的求解控制对所示。此时的求解控制对话框与静力线性分析基本相同，下面将非线性方面的有关话框与静力线性分析基本相同，下面将非线性方面的有关设置介绍一下，线性静力部分请参阅第八章工程结构线性设置介绍一下，线性静力部分请参阅第八章工程结构线性静力分析。静力分析。18图图11-1 Basic求解控制对话框求解控制对话框19 1）Basic标签标签Basic标签为基本标签，对话框如图标签为基本标签，对话框如图11-1所示。如果要进所示。如果要进行大变形分析，在行大变形分析，在Analysis Options选择选择Large Displacement Static，但要记住并不是所有的非线性分，但要记住并不是所有的非线性分析都产生大变形；在进行时间设置时，这些选项可在任何析都产生大变形；在进行时间设置时，这些选项可在任何载荷步改变。非线性分析要求在一个时间步上有多个子步载荷步改变。非线性分析要求在一个时间步上有多个子步，以使，以使ANSYS能够逐渐地施加载荷，并取得精确解；能够逐渐地施加载荷，并取得精确解；OUTRES 控制结果文件控制结果文件(Jobname.RST)中的数据。缺省中的数据。缺省时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。结果文件只能写入结果文件只能写入1000个结果集个结果集(子步子步)，但用户可以可用，但用户可以可用 /CONFIG，NRES 命令来增大这一限值。命令来增大这一限值。20ANSYS的自动求解控制打开自动时间步长。这一选项允的自动求解控制打开自动时间步长。这一选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步加还是减小时间步(子步子步)长。在一个时间步的求解完成后长。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，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更多次的迭代成为时间步长减小的原因步长减小的原因)；对非线性单元状态改变预测；对非线性单元状态改变预测(当状态改当状态改变临近时减小时间步长变临近时减小时间步长)；塑性应变增加的大小；蠕变增加；塑性应变增加的大小；蠕变增加的大小。的大小。21 2）Transient标签标签该选项为瞬态选项标签。只有在该选项为瞬态选项标签。只有在Basic标签中选择了瞬态标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，否则显灰色。分析时这个标签才能应用，否则显灰色。22图图11-2 Transient对话框对话框23 (3) Soln Options标签标签Soln Options标签部分选项及界面如表标签部分选项及界面如表11-1及图及图11-3所示所示。表表11-1 Soln Options标签选项标签选项选项用途Equation Solvers指定方程求解器Restart Control对于多重启动指定参数24图图11-3 Soln Options标签界面标签界面25ANSYS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，即缺省的求解器，其他选项包括直接求解器和，即缺省的求解器，其他选项包括直接求解器和PCG求解器。对于求解器。对于在三维模型中实体单元使用在三维模型中实体单元使用PCG求解器可能更快。若用求解器可能更快。若用PCG求解器求解器，而且是小应变静力或完全瞬态分析，可以考虑用，而且是小应变静力或完全瞬态分析，可以考虑用MSAVE命令降低命令降低内存应用。其他情况，可用刚度矩阵的总体安装来求解。对于符合内存应用。其他情况，可用刚度矩阵的总体安装来求解。对于符合上述条件的结构，用上述条件的结构，用 MSAVE,ON 可能可节省可能可节省70%的内存，但求解的内存，但求解时间可能增加，这与计算机的配置和时间可能增加，这与计算机的配置和CPU速度有关。稀疏矩阵求解速度有关。稀疏矩阵求解器是一个健壮的求解器。虽然器是一个健壮的求解器。虽然PCG求解器能够求解同样的矩阵方程求解器能够求解同样的矩阵方程，但在它碰到一个病态矩阵时，求解器将反复指定的迭代数目，并，但在它碰到一个病态矩阵时，求解器将反复指定的迭代数目，并在收敛失败时停止。在发生这种问题时，它触发二分。在完成二分在收敛失败时停止。在发生这种问题时，它触发二分。在完成二分后，求解器继续求解，如果结果矩阵是良态的话，最后可以求解整后，求解器继续求解，如果结果矩阵是良态的话，最后可以求解整个非线性载荷步。稀疏矩阵求解器在梁、壳或者梁、壳、实体结构个非线性载荷步。稀疏矩阵求解器在梁、壳或者梁、壳、实体结构，病态问题，不同区域材料特性相差巨大的模型以及位移边界条件，病态问题，不同区域材料特性相差巨大的模型以及位移边界条件不足的情况下可得到满意解；不足的情况下可得到满意解；PCG求解器在三维结构且自由度数相求解器在三维结构且自由度数相对较大时使用。对较大时使用。26 (4) Nonlinear标签标签Nonlinear标签部分选项及界面如表标签部分选项及界面如表11-2及图及图11-4所示。所示。表表11-2 Nonlinear标签选项标签选项选项用途Line search激活线性搜索DOF solution predictor激活DOF解的预测Maximum number of iterations 指定每个子步的最大迭代次数Creep Option指明是否包括蠕变计算Cutback Control控制二分27图图11-4 Nonlinear标签界面标签界面28 (5)Advanced NL标签标签 Advanced NL标签部分选项及界面如表标签部分选项及界面如表11-3及图及图11-5所所示。示。表表11-3 Advanced NL标签选项标签选项选项用途Termination Criteria终止分析结束准则Arc-length options激活和终止弧长法控制29图图11-5 Advanced NL标签界面标签界面30 11.2.1.3 设置其它求解选项设置其它求解选项其他求解选项很少使用，并且其默认值设置都很少改变，其他求解选项很少使用，并且其默认值设置都很少改变，这些选项并不出现在这些选项并不出现在“求解控制求解控制”对话框中。如图对话框中。如图11-6所所示。示。31图图11-6 其他求解选项其他求解选项32 (1) 应力刚化效应应力刚化效应用户可能关闭应力刚化效应的一些特殊情况有：应力刚度用户可能关闭应力刚化效应的一些特殊情况有：应力刚度仅与非线性分析相关；在分析之前，用户知道结构不会因仅与非线性分析相关；在分析之前，用户知道结构不会因屈曲屈曲(分叉或跳跃屈曲分叉或跳跃屈曲)而破坏。通常，包括应力刚化效应而破坏。通常，包括应力刚化效应时，可以加速非线性分析收敛。用户可能对一些看起来收时，可以加速非线性分析收敛。用户可能对一些看起来收敛困难的特殊问题，选择关闭应力刚度效应，如局部破坏敛困难的特殊问题，选择关闭应力刚度效应，如局部破坏。 命令：命令：SSTIF GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Options】33 (2)Newton-Raphson选项选项这一选项只能用于非线性分析中，它说明在求解时切线矩这一选项只能用于非线性分析中，它说明在求解时切线矩阵如何修正。在存在非线性时，阵如何修正。在存在非线性时，ANSYS的自动求解控制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。但在应将应用自适应下降关闭的完全牛顿拉普森选项。但在应用节点用节点-节点，节点节点，节点-面接触单元的有摩擦接触分析中，自面接触单元的有摩擦接触分析中，自适应下降功能是自动打开的。适应下降功能是自动打开的。 命令：命令：NROPT GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Options】34 (3) 预应力效应计算预应力效应计算这一选项用来在同一模型中执行预应力分析，如预应力模这一选项用来在同一模型中执行预应力分析，如预应力模型的分析。缺省值为型的分析。缺省值为 OFF。应力刚度效应和预应力效应计。应力刚度效应和预应力效应计算二者都控制应力刚度矩阵的生成，因此在一个分析中不算二者都控制应力刚度矩阵的生成，因此在一个分析中不以同时应用。如二者都指定，则最后选项将覆盖前者。以同时应用。如二者都指定，则最后选项将覆盖前者。 命令：命令：PSTRES GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Options】35 （4）蠕变准则）蠕变准则 命令：命令：CRPLIM GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Load Step Opts】/【Nonlinear】/【Creep Criterion】36如果结构表现出蠕变行为，可以指定蠕变准则用于自动时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。如图间步调整。如图11-7所示。所示。图图11-7 蠕变准则蠕变准则37 （5）求解监视）求解监视 命令：命令：MONITOR GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Load Step Opts】/【Nonlinear】/【Monitor】该选项为监视指定节点上的指定自由度的求解值提供了方该选项为监视指定节点上的指定自由度的求解值提供了方便。这个命令为用户快速观察求解收敛效率提供了可能，便。这个命令为用户快速观察求解收敛效率提供了可能，而不必通过输出文件来取得这些信息。如图而不必通过输出文件来取得这些信息。如图11-8所示。所示。38图图11-8 求解监视求解监视39 （6）激活和杀死选项）激活和杀死选项 命令：命令：EKILL 、EALIVE GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Load Step Opts】/【Other】/【Kill Elements】 【Main Menu】/【Solution】/【Load Step Opts】/【Other】/【Activate Elem】 根据需要指定根据需要指定“生生”、“死死”选项。用户可以选项。用户可以“杀死杀死”和和“激活激活”指定单元，以模拟在结构中移走或添加材料。用指定单元，以模拟在结构中移走或添加材料。用户还可以对所选择的单元在载荷步之间改变材料特性。如户还可以对所选择的单元在载荷步之间改变材料特性。如图图11-9所示。所示。40图图 11-9 单元的生与死单元的生与死41 11.2.1.4施加载荷施加载荷用户在设置了求解选项以后，就可以对模型施加载荷了。用户在设置了求解选项以后，就可以对模型施加载荷了。惯性荷载和点荷载将保持方向不变，但表面荷载在大变形惯性荷载和点荷载将保持方向不变，但表面荷载在大变形分析中将跟随结构的变形而变化，具体操作参考第八章。分析中将跟随结构的变形而变化，具体操作参考第八章。 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】42 11.2.1.5求解求解当设置好求解控制和施加载荷后，前处理基本完成，可进当设置好求解控制和施加载荷后，前处理基本完成，可进行求解计算。求解步骤如下：行求解计算。求解步骤如下：（1）把数据库保存为一个文件以作备份。）把数据库保存为一个文件以作备份。 命令：命令：SAVE GUI：【：【Utility Menu】/【File】/【Save as】(2) 开始计算开始计算 命令：命令：SOLVE GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Solve】/【Current LS】43(3) 如果分析中包括其他载荷条件如果分析中包括其他载荷条件(即多个载荷步即多个载荷步)，则应重，则应重新施加载荷，指定载荷步选项，保新施加载荷，指定载荷步选项，保存并求解每一个载荷步。存并求解每一个载荷步。(4) 退出求解退出求解 命令：命令：FINISH44 11.2.1.6 查看分析结果查看分析结果非线性静态分析的结果，主要由位移、应力、应变以及反非线性静态分析的结果，主要由位移、应力、应变以及反作用力组成。可以用通用后处理器作用力组成。可以用通用后处理器POST1，或者时间历程，或者时间历程后处理器后处理器POST26，来考察这些结果。用，来考察这些结果。用POST1一次仅可一次仅可以读取一个子步，且来自那个子步的结果应当已被写入以读取一个子步，且来自那个子步的结果应当已被写入Jobname.RST。POST1与与POST26的操作在第八章已有的操作在第八章已有详细叙述，读者可参照第八章相关内容。详细叙述，读者可参照第八章相关内容。4511.2.2 非线性瞬态分析的步骤非线性瞬态分析的步骤许多需要进行非线性瞬态分析的任务，与非线性静力分析许多需要进行非线性瞬态分析的任务，与非线性静力分析相同或相似。本节论述非线瞬态分析的一些附加考虑。非相同或相似。本节论述非线瞬态分析的一些附加考虑。非线性瞬态分析的处理流程主要由以下几个步骤组成：建模线性瞬态分析的处理流程主要由以下几个步骤组成：建模；施加载荷和求解；观察结果。；施加载荷和求解；观察结果。46 11.2.2.1 建模建模这一步骤与非线性静力分析相同。只不过如果分析中包含这一步骤与非线性静力分析相同。只不过如果分析中包含时间的积分效应，则必须输入质量密度。如果需要，还可时间的积分效应，则必须输入质量密度。如果需要，还可以定义与材料相关的结构阻尼。以定义与材料相关的结构阻尼。4711.2.2.2 施加载荷和求解施加载荷和求解确定瞬态分析类型，定义分析选项，与非线性静力分析相确定瞬态分析类型，定义分析选项，与非线性静力分析相同。在求解控制对话框中进行同。在求解控制对话框中进行Transient选项。只有在选项。只有在Basic标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，如图标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，如图11-2所示。所示。施加载荷并指定载荷步选项。瞬态时间历程通常需要多个施加载荷并指定载荷步选项。瞬态时间历程通常需要多个载荷步，其中第载荷步，其中第1载荷步典型地用于建立初始条件。此外载荷步典型地用于建立初始条件。此外，非线性静力分析中所用的一般的非线性、生和死、输出，非线性静力分析中所用的一般的非线性、生和死、输出控制等，在非线性瞬态分析中也可应用。在非线性瞬态分控制等，在非线性瞬态分析中也可应用。在非线性瞬态分析中，时间必须大于析中，时间必须大于0，用户必须说明载荷类型。，用户必须说明载荷类型。48（1）将载荷步的数据写到载荷步文件）将载荷步的数据写到载荷步文件 命令：命令：LSWRITE GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Write LS File】（2）保存）保存 命令：命令：SAVE GUI：【：【Utility Menu】/【File】/【Save As】49（3）开始求解）开始求解 命令：命令：LSSOLVE GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Solve】/【From LS Files】（4）退出求解。）退出求解。 命令：命令：FINISH GUI：关闭：关闭Solution菜单。菜单。50 11.2.2.3 观察结果观察结果与非线性静力分析一样，可以用与非线性静力分析一样，可以用POST1来处理某一时刻的来处理某一时刻的结果，其使用方法也相同。用户应在进行后处理之前检查结果，其使用方法也相同。用户应在进行后处理之前检查计算是否收敛。时间历程后处理程序计算是否收敛。时间历程后处理程序 POST26 的应用，也的应用，也与非线性静力分析中基本相同。与非线性静力分析中基本相同。5111.2.3 非线性分析的提示非线性分析的提示 1. 如果用户在以前未应用过某一种非线性特性，则应当在如果用户在以前未应用过某一种非线性特性，则应当在分析大型、复杂的模型之前，首先建立一个简单的模型先分析大型、复杂的模型之前，首先建立一个简单的模型先对其进行分析。对于非线性静力分析模型，一个初步的线对其进行分析。对于非线性静力分析模型，一个初步的线性静力分析，可以了解模型在那个区域首先经受非线性响性静力分析，可以了解模型在那个区域首先经受非线性响应，在什么样的载荷水平下，这些非线性将起作用。对于应，在什么样的载荷水平下，这些非线性将起作用。对于非线性瞬态分析，初步的梁、质量、弹簧模型，可以用最非线性瞬态分析，初步的梁、质量、弹簧模型，可以用最小代价提供对结构的深入了解。小代价提供对结构的深入了解。52 2. 保持最终模型尽可能简单。保持最终模型尽可能简单。 3.合理控制网格密度。在经受塑性变形的区域，要求相当合理控制网格密度。在经受塑性变形的区域，要求相当的积分点密度。低阶单元提供了与高阶单元相同的积分点的积分点密度。低阶单元提供了与高阶单元相同的积分点数目，因此在塑性分析中应用低阶单元较合算。在塑性铰数目，因此在塑性分析中应用低阶单元较合算。在塑性铰区域，网格密度尤其重要。区域，网格密度尤其重要。53 4. 逐渐地施加载荷。对于非保守、路径相关系统，施加载逐渐地施加载荷。对于非保守、路径相关系统，施加载荷时要用足够小的载荷增量，以保证分析接近载荷荷时要用足够小的载荷增量，以保证分析接近载荷-响应曲响应曲线。线。 5. 克服收敛问题。收敛失败可能表示结构产生物理上的不克服收敛问题。收敛失败可能表示结构产生物理上的不稳定性，也可能仅仅是在有限模型中的某些数值问题引起稳定性，也可能仅仅是在有限模型中的某些数值问题引起的。的。 6. 在执行非线性分析过程中，在执行非线性分析过程中，ANSYS在每个迭代期间根在每个迭代期间根据收敛准则计算。用户可以用图形追踪分析的收敛性。据收敛准则计算。用户可以用图形追踪分析的收敛性。 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Output Ctrls】/【Grph Solu Track】5411.3.1 大应变效应大应变效应结构的总刚度与单元的方向和单元刚度有关。当一个单元结构的总刚度与单元的方向和单元刚度有关。当一个单元的结点发生位移后，单元对总体结构刚度的贡献可以以两的结点发生位移后，单元对总体结构刚度的贡献可以以两种方式发生改变。首先，如果这个单元的形状改变，它的种方式发生改变。首先，如果这个单元的形状改变，它的单元刚度将改变。其次，如果这个单元的方向改变，它的单元刚度将改变。其次，如果这个单元的方向改变，它的局部刚度转化到全局部件的刚度也将改变。大位移理论属局部刚度转化到全局部件的刚度也将改变。大位移理论属于有限应变理论，即认为应变不再是有限的，结构本身的于有限应变理论，即认为应变不再是有限的，结构本身的形状可以发生变化，结构的位移和转动可以是任意大小。形状可以发生变化，结构的位移和转动可以是任意大小。55 大应变分析说明由单元的形状和方向改变，会导致的整体大应变分析说明由单元的形状和方向改变，会导致的整体刚度改变。因为刚度受位移影响，所以在大应变分析中需刚度改变。因为刚度受位移影响，所以在大应变分析中需要迭代求解来得到正确的位移。要迭代求解来得到正确的位移。 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Type】/【Analysis Options】如图如图11-10所示，激活大应变效应的操作方法如图所示，所示，激活大应变效应的操作方法如图所示，将将“NLGEOM”选项选为选项选为“On”。在大多数实体单元（。在大多数实体单元（包括所有的大应变和超弹性单元），以及部分的壳单元中包括所有的大应变和超弹性单元），以及部分的壳单元中大应变特性是可用的。大应变特性是可用的。56图图11-10 激活大变形激活大变形57大应变处理对一个单元经历的总旋度或应变没有理论限制大应变处理对一个单元经历的总旋度或应变没有理论限制。然而，应限制应变增量以保持求解精度。然而，应限制应变增量以保持求解精度。5811.3.2 应力与应变应力与应变在大应变求解中，所有应力在大应变求解中，所有应力应变输入和结果将依据真实应变输入和结果将依据真实应力和真实应力和真实(或对数或对数)应变。对于一维结构，真实应变为应变。对于一维结构，真实应变为 。对于响应的小应变区，真实应变和工程应。对于响应的小应变区，真实应变和工程应变基本上是一致的。要从小工程应变转换成对数应变，使变基本上是一致的。要从小工程应变转换成对数应变，使用用 。 要从工程应力转换成真实应力，使用要从工程应力转换成真实应力，使用 ，这种应力转化仅对不可压缩塑性应力，这种应力转化仅对不可压缩塑性应力应变数据是有效应变数据是有效的。为了得到可接受的结果，对真实应变超过的。为了得到可接受的结果，对真实应变超过 50%的塑性的塑性分析，应使用大应变单元。分析，应使用大应变单元。)/ln(0ll)1ln(eng)1 (engengtrue5911.3.2 小应变大位移小应变大位移小应变大位移属于有限位移理论，即结构发生了大的刚体小应变大位移属于有限位移理论，即结构发生了大的刚体转动，但其应变可以按照线性理论来计算，结构本身形状转动，但其应变可以按照线性理论来计算，结构本身形状的改变可以忽略不计。在所有梁单元和大多数壳单元中，的改变可以忽略不计。在所有梁单元和大多数壳单元中，以及许多非线性单元中，可用小应变大位移特性。以及许多非线性单元中，可用小应变大位移特性。 GUI:【Main Menu】/【Solution】/【Soln Control】/【Basic】60图图11-11 小变形静力分析小变形静力分析61 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Type】/【Analysis Options】激活那些支持这个特性的单元中的大位移效应。激活那些支持这个特性的单元中的大位移效应。6211.3.4 应力刚化应力刚化面内应力和横向刚度之间的联系，通称为应力刚化。单元面内应力和横向刚度之间的联系，通称为应力刚化。单元较大的应变使得单元在某个面内具有较大的应力状态，从较大的应变使得单元在某个面内具有较大的应力状态，从而显著影响面外的刚度。鼓面绷紧时会产生垂向刚度，这而显著影响面外的刚度。鼓面绷紧时会产生垂向刚度，这是应力强化结构的一个普通的例子。尽管应力刚化理论假是应力强化结构的一个普通的例子。尽管应力刚化理论假定单元的转动和应变是小的，但是刚化应力仅可以通过进定单元的转动和应变是小的，但是刚化应力仅可以通过进行大挠度分析得到，也可采用小挠度或线性理论得到。行大挠度分析得到，也可采用小挠度或线性理论得到。63对于大多数实体单元，应力刚化的效应是与问题相关的；对于大多数实体单元，应力刚化的效应是与问题相关的；在大变型分析中的应用应力刚化时结果收敛性的不可预测在大变型分析中的应用应力刚化时结果收敛性的不可预测。在大多数情况下，首先应该尝试一个应力刚化效应。在大多数情况下，首先应该尝试一个应力刚化效应 OFF（关闭）的分析。应力刚化不建议用于包含（关闭）的分析。应力刚化不建议用于包含“不连续单元不连续单元”的结构。对于桁、梁和壳单元，在大挠度分析中通常应的结构。对于桁、梁和壳单元，在大挠度分析中通常应使用应力刚化。使用应力刚化。 大应变和大挠度过程包括初始应力效应，它作为大应变和大应变和大挠度过程包括初始应力效应，它作为大应变和大挠度理论的一个子集，对于大多数单元，当大变型效应大挠度理论的一个子集，对于大多数单元，当大变型效应被激活时，自动包括初始硬化效应。被激活时，自动包括初始硬化效应。 GUI：【：【Main Menu】/【Solution】/【Unabridged Menu】/【Analysis Type】/【Analysis Options】64图图11-12 应力刚化设置应力刚化设置65在大变形分析中若包含应力刚化效应，在大变形分析中若包含应力刚化效应，ANSYS会