ANSYS结构非线性分析指南-第二章.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateANSYS结构非线性分析指南-第二章8 非线性结构分析第二章 开始结构非线性分析2.1 在ANSYS中执行非线性分析 ANSYS应用基于问题物理特性的自动求解控制方法,把各种非线性分析控制参数设置到合适的值。如果用户对这些设置不满意,还可以手工设置。下列命令的缺省设置已进行了优化处理:AUTOTS PRED MONITOR DELTIM NROPT NEQIT NSU
2、BST TINTP SSTIF CNVTOL CUTCONTROL KBC LNSRCH OPNCONTROL EQSLV ARCLEN CDWRITE LSWRITE 这些命令及其设置在将在后面讨论。参见ANSYS Commands Reference。 如果用户选择自己的设置而不是ANSYS的缺省设置,或希望用以前版本的ANSYS的输入列表,则可用/SOLU模块的SOLCONTROL,OFF命令,或在/BATCH命令后用/CONFIG,NLCONTROL,OFF命令。参见SOLCONTROL命令的详细描述。 ANSYS对下面的分析激活自动求解控制:单场的非线性或瞬态结构以及固体力学分析,在
3、求解自由度为UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的结合时;单场的非线性或瞬态热分析,在求解自由度为TEMP时; 注意-本章后面讨论的求解控制对话框,不能对热分析做设置。用户必须应用标准的ANSYS求解命令或GUI来设置。2.2 非线性静态分析步骤 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
4、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
5、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-Soln Control),可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单(GUI:Main Menu 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
6、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:Main MenuSolution-Analysis Type-Soln 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
7、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, NLGEOM1.2.6.13.16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 NSUBST 或 DELTIM2.42.7.1指定写入数据库中的结果数据OUTRES2.7.4 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 Displacemen
8、t 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。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。NSUBS
9、T 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
10、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2.3。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选项 参见指定方程求解器EQSLV2.2.2.7.1 ANSYS Basic Analysis Guide3.2-3.10对多重启动指定参数RESCONTROLANSYS Basic Analysis Guide3.16.2 2.2.2.5 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
11、2-3选项参见激活线性搜索LNSRCH2.2.2.8.52.4激活自由度求解预测PRED2.2.2.8.4指定一个荷载步中的最大子步数 NEQIT2.2.2.8.3指定是否需要包括蠕变计算RATE4.42.2.3.2.1设置收敛准则CNVTOL2.2.2.8.2控制二分CUTCONTROL2.2.2.8.6 2.2.2.6 求解控制对话框-Advanced NL标签用 Advanced NL 标签设置的选项见表2-4。按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。表2-4选项参见 指定分析终止准则NCNV 2.2.2.8.3激活和终止弧长法的控制ARCLEN, ARCTRM2.4ANSYS Ba
12、sic Analysis Guide2 2.2.2.7 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,
13、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,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
14、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
15、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
16、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)和前面(i-1)次迭代之间的位移改变()上,。 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 C
17、NVTOL 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
18、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
19、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,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
20、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
21、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。ANSYS调节整个矢量,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,La
22、b,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
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