ANSYS结构非线性分析指南连载四
ANSYS教程,非线性结构分析过程
ANSYS教程，非线性结构分析过程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。
非线性结构分析的基本分析过程也主要由建模、加载并求解和观察结果组成。
下面来讲解其主要步骤和各个选项的处理方法。
建模这一步对线性和非线性分析都是必需的，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，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。
加载求解在建立好有限元模型之后，将进入ANSYS求解器(GUI：Main Menu | Solution)，并根据分析的问题指定新的分析类型(ANTYPE)。
求解问题的非线性特性在ANSYS中是通过指定不同的分析选项和控制选项来定义的。
非线性分析不同于线性分析之处在于，它通常要求执行多荷载步增量和平衡迭代。
下面就详细讲解一下进行非线性结构分析需要定义的各个求解选项、分析选项和控制选项是如何设置的，以及他们的意义是什么。
求解控制对于一些基本的非线性问题的分析选项，可以通过ANSYS提供的求解控制对话框中的选项设置来完成。
选择菜单路径：Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol’n Controls，将弹出求解控制(Solution Controls)对话框，如下图所示。
从图中可以看出该对话框主要包括5个选项卡：基本选项（Basic）、瞬态选项（Transient）、求解选项（Sol’n Options）、非线性选项（Nonlinear）和高级非线性选项（Advanced NL）。
如果开始一项新的分析，在设置分析类型和非线性选项时，选择“Large Displacement Static”选项（不是所有的非线性分析都支持大变形）。
如果想要重新启动一个失败的非线性分析，则选择“Restart Current Analysis”选项。
选中下面的“Calculate prestress effects”单选按钮用于有预应力的模态分析时的预应力计算，具体内容见模态分析部分。
ANSYS结构非线性分析指南
ANSYS结构非线性分析指南ANSYS是一个强大的工程仿真软件，能够对各种复杂的结构进行分析。
其中，结构非线性分析是其中一种重要的分析方法，它能够模拟结构在非线性载荷和变形条件下的行为。
本文将为您提供一个ANSYS结构非线性分析的指南，帮助您更好地理解和应用这个方法。
首先，我们需要明确结构非线性分析的目标。
一般来说，结构非线性分析主要用于研究结构在大变形、材料非线性、接触或摩擦等复杂条件下的响应。
例如，当结构受到极大的外力作用时，其产生的变形可能会导致材料的非线性行为，这时我们就需要进行非线性分析。
在进行非线性分析之前，我们需要进行准备工作。
首先，我们需要准备一个几何模型，可以通过CAD软件导入或者直接在ANSYS中绘制。
然后，我们需要选择合适的材料模型，这将直接影响分析结果的准确性。
ANSYS提供了多种材料模型，例如线弹性模型、塑性模型和粘弹性模型等。
接下来，我们需要定义边界条件和载荷。
边界条件指明了结构的固定边界和自由边界，这决定了结构的位移约束。
载荷是作用在结构上的外力或者外界约束，例如压力、点载荷或者摩擦力等。
在非线性分析中，载荷的大小和施加方式可能会导致结构的非线性响应，因此需要仔细选择。
接下来，我们需要选择适当的非线性分析方法。
ANSYS提供了多种非线性分析方法，例如几何非线性分析、材料非线性分析和接触非线性分析等。
几何非线性分析适用于大变形情况下的分析，材料非线性分析适用于材料的弹塑性行为分析，而接触非线性分析适用于多个结构之间的接触行为分析。
在进行非线性分析之前，我们需要对模型进行预处理，包括网格划分和解算控制参数的设置。
网格划分的精度会直接影响分析结果的准确性，因此需要进行适当的剖分。
解算控制参数的设置涉及到收敛性和稳定性的问题，需要进行合理的调整。
然后，我们可以进行非线性分析了。
ANSYS提供了多种求解器，例如Newton-Raphson方法和弧长法等。
这些求解器可以通过迭代算法来求解非线性方程组，得到结构的响应结果。
04 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 一般过程解析
... 建立非线性模型
• 对任何结构单元, DOF(自由度)求解Du 是对节点求解 • 应力和应变是在积分点计算. 由DOF推导而来.
– 例如, 可由位移确定应变 ，经:
Training Manual
Dε BDu
s, e u
– 这里 B 称为 应变-位移矩阵
• 右图所示的一 4节点四边形单元有 2x2个积分点, 红点为积分点. • 在后处理结果中, 积分点的应力/应变值经外插值或复制到节点位置。
Training Manual
– 仅适用于高阶单元. – 当一部件厚度方向只有一个单元时，强制使用完全积分有助于提高精确度.
2-6
Workbench Mechanical - General Nonlinear Procedures
... 建立非线性模型
• WB Mechanical 默认采用高阶单元(有中节点)来划分网格.
第二章
一般过程
Workbench – Mechanical 结构非线性
2-1
Workbench Mechanical - General Nonlinear Procedures
章节概述
•
Training Manual
这章介绍一般工具和程序，不是对特殊来源非线性的详细介绍, 但介绍了 达到收敛的有用措施和后处理结果:
A. B. C. D.
建立非线性模型 分析设置 非线性结果后处理 作业
2-2
Workbench Mechanical - General Nonlinear Procedures
A. 建立非线性模型
什么是建立非线性模型与线性模型的不同?
Training Manual
• 某些情况，它们没有不同!
ANSYS 高级技术分析：非线性_结构分析
第一章结构静力分析1 1 结构分析概述结构分析的定义结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域结构这个术语是一个广义的概念它包括土木工程结构如桥梁和建筑物汽车结构如车身骨架海洋结构如船舶结构航空结构如飞机机身等同时还包括机械零部件如活塞传动轴等等在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型结构分析中计算得出的基本未知量节点自由度是位移其他的一些未知量如应变应力和反力可通过节点位移导出静力分析---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结构分析所用的单元绝大多数的ANSYS单元类型可用于结构分析单元型从简单的杆单元和梁单元一直到较为复杂的层合壳单元和大应变实体单元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它不考虑惯性和阻尼的影响如结构受随时间变化载荷的情况可是静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响如重力和离心力以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷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静力分析所施加的载荷包括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线性静力分析和非线性静力分析静力分析既可以是线性的也可以是非线性的非线性静力分析包括所有的非线性类型大变形塑性蠕变应力刚化接触间隙单元超弹性单元等本节主要讨论线性静力分析非线性静力分析在下一节中介绍第1页线性静力分析的求解步骤1建模2施加载荷和边界条件求解3结果评价和分析目录非线性结构分析的定义 1非线性行为的原因 1非线性分析的重要信息 3非线性分析中使用的命令8非线性分析步骤综述8 第一步建模 9第二步加载且得到解 9第三步考察结果16非线性分析例题GUI方法 20第一步设置分析标题 21第二步定义单元类型21第三步定义材料性质22第四步定义双线性各向同性强化数据表22第五步产生矩形22第六步设置单元尺寸23第七步划分网格23第八步定义分析类型和选项23第九步定义初始速度24第十步施加约束24第十一步设置载荷步选项24第十二步求解25第十三步确定柱体的应变25第十四步画等值线26第十五步用Post26定义变量26第十六步计算随时间变化的速度26非线性分析例题命令流方法 271 3 非线性结构静力分析非线性结构的定义在日常生活中,会经常遇到结构非线性例如无论何时用钉书针钉书金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状看图1─1a如果你在一个木架上放置重物随着时间的迁移它将越来越下垂看图1─1b当在汽车或卡车上装货时它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化看图1─1c如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了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非线性行为的原因引起结构非线性的原因很多它可以被分成三种主要类型状态变化包括接触许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的这些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一种很普遍的非线性行为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许多因素可以影响材料的应力第4页──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牛顿一拉森方法ANSYS程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应然而非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题逐步递增载荷和平衡迭代一种近似的非线性救求解是将载荷分成一系列的载荷增量可以在几个载荷步内或者在一个载步的几个子步内施加载荷增量在每一个增量的求解完成后继续进行下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化遗憾的是纯粹的增量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差导种结果最终失去平衡如图1─3a所示所示.a 纯粹增量式解b)全牛顿拉普森迭代求解2个载荷增量图8─3 纯粹增量近似与牛顿拉普森近似的关系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─3b)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非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。
ANSYS结构非线性分析指南(一至三章)
ANSYS结构非线性分析指南(一到三章)屈服准则概念：1.理想弹性材料物体发生弹性变形时，应力与应变完全成线性关系，并可假定它从弹性变形过渡到塑性变形是突然的。
2.理想塑性材料（又称全塑性材料）材料发生塑性变形时不产生硬化的材料，这种材料在进入塑性状态之后，应力不再增加，也即在中性载荷时即可连续产生塑性变形。
3.弹塑性材料在研究材料塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形的材料这里可分两种情况：Ⅰ.理想弹塑性材料在塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不再增加可连续产生塑性变形。
Ⅱ.弹塑性硬化材料在塑性变形时，既要考虑塑性变形之前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料，这种材料在进入塑性状态后，如应力保持不变，则不能进一步变形。
只有在应力不断增加，也即在加载条件下才能连续产生塑性变形。
4.刚塑性材料在研究塑性变形时不考虑塑性变形之前的弹性变形。
这又可分两种情况：Ⅰ.理想刚塑性材料在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。
Ⅱ.刚塑性硬化材料在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化材料。
屈服准则的条件：1.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。
2.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。
在一定的变形条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。
它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为）＝Cf（σij又称为屈服函数，式中C是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。
屈服准则是求解塑性成形问题必要的补充方程。
1.1 什么是结构非线性在日常生活中，经常会遇到结构非线性。
ANSYS结构非线性分析指南_第四章
第四章材料非线性分析4.1 材料非线性概述许多与材料有关的参数可以使结构刚度在分析期间改变。
塑性、非线性弹性、超弹性材料、混凝土材料的非线性应力—应变关系，可以使结构刚度在不同载荷水平下(以及在不同温度下)改变。
蠕变、粘塑性和粘弹性可以引起与时间、率、温度和应力相关的非线性。
膨胀可以引起作为温度、时间、中子流水平(或其他类似量)函数的应变。
ANSYS程序应可以考虑多种材料非线性特性：1．率不相关塑性指材料中产生的不可恢复的即时应变。
2．率相关塑性也可称之为粘塑性，材料的塑性应变大小将是加载速度与时间的函数。
3．材料的蠕变行为也是率相关的，产生随时间变化的不可恢复应变，但蠕变的时间尺度要比率相关塑性大的多。
4．非线性弹性允许材料的非线性应力应变关系，但应变是可以恢复的。
5．超弹性材料应力应变关系由一个应变能密度势函数定义，用于模拟橡胶、泡沫类材料，变形是可以恢复的。
6．粘弹性是一种率相关的材料特性，这种材料应变中包含了弹性应变和粘性应变。
7．混凝土材料具有模拟断裂和压碎的能力。
8．膨胀是指材料在中子流作用下的体积扩大效应。
4.2 塑性分析4.2.1 塑性理论简介许多常用的工程材料，在应力水平低于比例极限时，应力—应变关系为线性的。
超过这一极限后，应力—应变关系变成非线性，但却不一定是非弹性的。
以不可恢复的应变为特征的塑性，则在应力超过屈服点后开始出现。
由于屈服极限与比例极限相差很小，ANSYS程序在塑性分析中，假设这二个点相同，见图4-1。
图4-1 弹塑性应力-应变曲线塑性是一种非保守的(不可逆的)，与路径相关的现象。
换句话说，荷载施加的顺序，以及什么时候发生塑性响应，影响最终求解结果。
如果用户预计在分析中会出现塑性响应，则应把荷载处理成一系列的小增量荷载步或时间步，以使模型尽可能附合荷载—响应路径。
最大塑性应变是在输出(Jobname.OUT)文件的子步信息中打印的。
在一个子步中，如果执行了大量的平衡迭代，或得到大于15%的塑性应变增量，则塑性将激活自动时间步选项[AUTOTS ](GUI ：Main Menu>Solution> Sol'n Control:Basic Tab 或 MainMenu>Solution>Unabridged Menu> Time /Frequenc>Time and Substps)。
ANSYS高级结构非线性教程
•
的所有分量是精确的。
September 30, 2001 Inventory #001491 TOC-10
单元技术
... 传统位移公式
• • 完全积分、高阶传统位移单元也易于发生体积锁定。
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
完全积分、低阶传统位移单元易于发生剪切 和体积锁定，因此很少使用。
• 这个模型呈现剪切锁定了吗?
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
单元 182 (B-Bar), 几乎不可压缩的MooneyRivlin 超弹材料的平面应变
答案: 很意外, 没有。 该模型具有超弹材料属性, 以 B-Bar 和增强应变运行, 结果f非常相似.
单元技术
... 本章概述
• 这章的要点是:
– 完全积分的、传统的基于位移的连续单元在一定情形下低估位移
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
• 这称为网格锁定
– 因此，有不同的单元公式来处理这些问题, 基于: • 体积或弯曲占优的问题(结构行为) • 弹性，塑性或超弹性(材料行为)
• 回顾积分点的一些重要细节:
– 对任何单元, 自由度解 {Du} 是在结点求出
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
– 在积分点计算应力和应变。它们由自由度导出。例如可以由位移通过下式确定 应变:
D e B D u
完全积分的低阶单元变形中，上下两 边保持直线，不再保持直角，gxy 不 为零。
ANSYS结构非线性分析指南
ANSYS结构非线性分析指南ANSYS是一款非常强大的有限元分析软件，广泛应用于各种工程领域的结构分析。
在常规的结构分析中，通常会涉及到线性分析，但一些情况下，结构出现了非线性行为，这时就需要进行非线性分析。
非线性分析可以更准确地模拟结构的真实行为，包括材料的非线性、几何的非线性和接触非线性等。
在进行ANSYS结构非线性分析时，需要考虑以下几个方面：1.材料的非线性：在材料的应力-应变关系中，材料的性质可能会发生变化，如塑性变形、损伤、软化等。
因此在非线性分析中，需要考虑材料的非线性特性，并正确选取材料模型。
2.几何的非线性：在一些情况下，结构本身的几何形态可能会发生较大变化，如大变形、屈曲等。
这需要考虑结构的几何非线性，并在分析中充分考虑结构的形变情况。
3.接触非线性：当结构中存在接触面时，接触面之间的接触力可能是非线性的，如摩擦力、法向压力等。
在进行非线性分析时，需要考虑接触面上的非线性行为，确保接触的可靠性。
在进行ANSYS结构非线性分析时，可以按照以下步骤进行：1.建立模型：首先需要根据实际情况建立结构的有限元模型，包括几何形状、边界条件和加载条件等。
在建立模型时，需要考虑到结构的材料、几何和接触情况，并进行合理的网格划分。
2.设置分析类型：在ANSYS中，可以选择静力分析、动力分析等不同的分析类型。
在进行非线性分析时，需要选择适合的非线性分析模块，并设置相应的参数。
3.设置材料模型：根据结构的材料特性，选择合适的材料模型，如弹塑性模型、本构模型等。
根据实际情况，设置材料的材料参数，确保材料的非线性行为能够得到准确的描述。
4.设置几何非线性：考虑结构的几何非线性时，需要选择合适的几何非线性选项，并设置合适的几何参数。
在进行大变形分析时，需要选择几何非线性选项，确保结构的形变情况能够得到准确的描述。
5.设置接触非线性：当结构存在接触面时，需要考虑接触面上的非线性行为。
在ANSYS中，可以设置接触类型、摩擦系数等参数，确保接触的可靠性。
ansys 非线性分析原理
ansys 非线性分析原理ANSYS中的非线性分析是指通过考虑材料的非线性行为、几何非线性和边界条件的非线性等因素，对结构进行分析和计算。
非线性分析的原理主要包括以下几个方面。
1. 材料的非线性行为：考虑到材料在受载作用下的非线性行为，一般采用弹塑性分析方法。
弹塑性材料在受力时会出现应力-应变曲线的非线性特征，这需要使用合适的本构模型来描述。
ANSYS中常用的本构模型有弹塑性模型、弹性模型等，根据问题的实际情况选择适当的本构模型进行分析。
2. 几何的非线性效应：当结构在受载作用下出现较大的变形时，就需要考虑几何非线性效应。
一般情况下，当结构的变形较小时可以忽略几何非线性，反之则需要进行几何非线性分析。
几何非线性的分析可通过使用大变形理论来描述结构的非线性变形，并进行相应的计算。
3. 边界条件的非线性效应：非线性分析还需要考虑边界条件的非线性效应。
在实际工程中，边界条件往往是随着结构的变形而变化的，如约束条件的变化、边界载荷的变化等。
这些非线性边界条件会对结构的响应产生影响，因此需要将其考虑在内进行非线性分析。
在ANSYS中进行非线性分析时，通常需要进行以下步骤：1. 定义材料的本构模型：选择合适的弹塑性模型或弹性模型，并设置相应的参数。
2. 构建几何模型：根据实际工程要求，构建结构的几何模型，并对其进行离散化，即将结构分割成有限元网格。
3. 施加边界条件和载荷：根据实际工况，为结构施加边界条件和载荷。
4. 求解非线性方程组：通过非线性方程的迭代求解方法，求解得到结构的非线性响应。
5. 分析结果的后处理：对求解得到的结果进行分析和后处理，获取所需的工程参数和信息。
总之，非线性分析在ANSYS中是通过考虑材料的非线性行为、几何的非线性效应和边界条件的非线性效应等因素，对结构进行全面分析和计算的方法。
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（序）：概述
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（序）：概述各位道友，在时隔半年后，我又回来了，虽然由于水平有限，我依然无法给各位答疑解惑，但是我可以和大家一起学习学习一下基本理论知识。
从本文开始，图惜和大家开始共同学习结构非线性。
本文作为非线性知识的序篇，我们主要通过以下问题来学习结构非线性基本概念：问题1：什么是非线性？问题2：非线性的类型？1 什么是非线性前面介绍的许多内容都是结构线性问题，即满足胡克定律其中刚度矩阵[K]是一个常量，通俗地说，如果力F增大一倍，位移u也将增大一倍。
然而，实际工程中很多结构的力和位移的关系不呈线性关系，称之为非线性结构。
结构刚度不再是常数，而是随着载荷的变化而发生变化。
KT（切向刚度）代表了经过载荷位移曲线上的某一点，该曲线切线的斜率。
非线性问题分为三类，三类往往交叉出现：1.几何非线性，如大应变、大挠度大转动、应力钢化、旋转软化等。
2.材料非线性，如弹塑性、超弹性、蠕变、黏弹性等。
3.状态非线性，也称为边界条件非线性，如接触、生死单元等。
#2 非线性分析基础2.1几何非线性物体受载荷后，内部会发生变形，当应变远小于1%时，可忽略物体前后变形的形状和位置，简化为线性分析。
但是当结构承受大变形时，变形的几何形状可能会引起结构非线性响应。
一般几何非线性有大应变，大挠度，应力钢化等，它们的关系如下在Ansys Workbench中，如果要使用几何非线性功能，只需要打开分析设置中的大变形选项：Large Deflection=On，程序将考虑大应变，大挠度，应力钢化、旋转软化等效应。
（1）大应变，结构刚度由网格单元刚度和方向决定，单元的形状发生变化，从而最终引起结构的非线性响应。
所有的几何非线性现象几乎最终都会导致网格单元的大应变。
有限应变也属于这一类型，例如金属冷作成型过程中的有限塑性变形。
值得注意的是，大应变不一定导致大应力，如橡胶、海绵的大变形大变形不一定导致大应力。
ANSYS基础教程,非线性分析
ANSYS基础教程，非线性分析
由荷载-变形曲线将会发现非线性结构的基本特征：变化的结构刚度。
引起非线性的原因
引起非线性行为的原因很多，这里介绍三种主要原因：
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响应，例如：随着钓鱼竿钓到鱼，竖向荷载就增加，杆不断弯曲以至于动力臂明显减少，导致杆端显示出较高的荷载下不断增长的刚性。
材料非线性
非线性的应力-应变关系是造成结构的非线性的常见的原因。
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（如在蠕变响应情况下）。
状态非线性
许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为，例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的，也可能是绷紧的；轴承套可能是接触的，也可能是不接触的；冻土可能是冻结的，也可能是融化的。
这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间变化。
状态改变也许
和荷载直接有关（如在电缆情况下），也可能由某种外部原因引起（如冻土中的紊乱力学条件）。
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。
接触是一种很普遍的非线性行为，是状态变化非线性类型中一个特殊而重要的子集。
ANSYS讲义非线性分析
• 力/力矩不平衡量 {R}
FORCE CONVERGENCE VALUE
• 最大的自由度增量 {u}
MAX DOF INC
• 力收敛判据
CRITERION
• 载荷步与子步数
LOAD STEP
1 SUBSTEP 14
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输出文件的信息(续)
输出窗口包括（续） ：
• 当前子步的迭代步数
EQUIL ITER 1 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX DOF INC= -0.1645E-01
FORCE CONVERGENCE VALUE = 10.35
CRITERION= 2.095
DISP CONVERGENCE VALUE = 0.2409E-01 CRITERION= 0.9406
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概述
ANSYS 最常用的非线性功能
• 几何非线性
大应变，大位移与大转动
-- 结构稳定性 （前屈曲分析与后屈曲分析）
• 塑性
• 超弹性
• 接触非线性
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非线性分析
第13页/共97页
主要内容
应理解非线性分析中所用到的基本术语：
1. Newton-Raphson法 2. 收敛 3. 载荷步，子步和平衡迭代 4. 自动时间步 5. 输出文件信息 6. 非线性求解过程 7. 高级求解控制 8. 重启动分析
1. 几何非线性
大应变，大位移，大旋转
2. 材料非线性
塑性，超弹性，粘弹性，蠕变
3. 状态改变非线性
接触，单元死活
第3页/共97页
几何非线性
如果一个结构承受大的变形，它改变的几何构形可导致非线性行 为。大位移、大应变和大旋转是几何非线性的例子。
非线性分析指南
目录非线性结构分析的定义 (1)非线性行为的原因 (1)非线性分析的重要信息 (3)非线性分析中使用的命令 (8)非线性分析步骤综述 (8)第一步：建模 (9)第二步：加载且得到解 (9)第三步：考察结果 (16)非线性分析例题（GUI方法） (20)第一步：设置分析标题 (21)第二步：定义单元类型 (21)第三步：定义材料性质 (22)第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22)第五步：产生矩形 (22)第六步：设置单元尺寸 (23)第七步：划分网格 (23)第八步：定义分析类型和选项 (23)第九步：定义初始速度 (24)第十步：施加约束 (24)第十一步：设置载荷步选项 (24)第十二步：求解 (25)第十三步：确定柱体的应变 (25)第十四步：画等值线 (26)第十五步：用Post26定义变量 (26)第十六步：计算随时间变化的速度 (26)非线性分析例题（命令流方法） (27)非线性结构分析非线性结构的定义在日常生活中,会经常遇到结构非线性。
例如，无论何时用钉书针钉书，金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。
（看图1─1（a））如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。
（看图1─1（b））。
当在汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。
（看图1─1（c））如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了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非线性行为的原因引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态变化（包括接触）许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。
轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的。
这些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非线性分析指南
几何非线性分析随着位移增长一个有限单元已移动的坐标可以以多种方式改变结构的刚度一般来说这类问题总是是非线性的需要进行迭代获得一个有效的解大应变效应一个结构的总刚度依赖于它的组成部件单元的方向和单刚当一个单元的结点经历位移后那个单元对总体结构刚度的贡献可以以两种方式改变变首先如果这个单元的形状改变它的单元刚度将改变看图2─1(a)其次如果这个单元的取向改变它的局部刚度转化到全局部件的变换也将改变看图2─1b)小的变形和小的应变分析假定位移小到 足够使所得到的刚度改变无足轻重这种刚度不变假定意味着使用基于最初几何形状的结构刚度的一次迭代足以计算出小变形分析中的位移什么时候使用小变形和应变依赖于特定分析中要求的精度等级 相反大应变分析说明由单元的形状和取向改变导致的刚度改变因为刚度受位移影响且反之亦然所以在大应变分析中需要迭代求解来得到正确的位移通过发出NLGEOM ON GUI 路径Main Menu>Solution>Analysis Options)来激活 大应变效应这效应改变单元的形状和取向且还随单元转动表面载荷集中载荷和惯性载荷保持它们最初的方向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大应变特性是可用的在ANSYS/Linear Plus 程序中大应变效应是不可用的图1─11 大应变和大转动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某些ANSYS 单元类型将受到总应变的实际限制──参看下面然而应限制应变增量以保持精度 因此总载荷应当被分成几个较小的步这可以NSUBST DELTIM AUTOTS 通过GUI 路径 Main Menu>Solution>Time/Prequent)无论何时当系统是非保守系统来自动实现如在模型中有塑性或摩擦或者有多个大位移解存在如具有突然转换现象使用小的载荷增量具有双重重要性关于大应变的特殊建模讨论应力─应变在大应变求解中所有应 力─应变输入和结果将依据真实应力和真实或对数应变一维时真实应变将表求为 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用 要从工程应力转换成真实应力使用 这种应力转化反对不可压缩塑性应力─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50%的塑性分析应使用大应变单元大应变与小应变分析的界定VISCO106107及108单元的形状应该认识到在大应变分析的任何迭代中低劣的单元形状也就是大的纵横比过度的顶角以及具有负面积的已扭曲单元将是有害的因此你必须和注意单元的原始形状一样注意的单元已扭曲的形状除了探测出具有负面积的单元外ANSYS程序对于求解中遇到的低劣单元形状不发出任何警告必须进行人工检查如果已扭曲的网格是不能接受的可以人工改变开始网格在容限内以产生合理的最终结果参看图2─2图2─2 在大应变分析中避免低劣单元形状的发展具有小应变的大偏移小应变大转动某些单元支持大的转动但不支持大的形状改变一种称作大挠度的大应变特性的受限形式对这类单元是适用的在一个大挠度分析中单元的转动可以任意地大但是应变假定是小的大挠度效应没有大的形状改变在ANSYS/Linear Plus程序中是可用的在ANSYS/Mechanical,以及ANSYS/Structural产品中对于支持大应变特性的单元大挠度效应不能独立于大应变效应被激活在所有梁单元和大多数壳单元中以及许多非线性单元中这个特性是可用的通过打开NLGEOM ON GUI路径Main Menu>Solution>Anolysis Options来激活那些支持这一特性的单元中的大位移效应应力刚化结构的面外刚度可能严重地受那个结构中面内应力的状态的影响面内应力和横向刚度之间的联系通称为应力刚化在薄的高应力的结构中如缆索或薄膜中是最明显的一个鼓面当它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定单元的转动和应变是小的在某些结构的系统中如在图2─3a)中刚化应力仅可以通过进行大挠度分析得到在其它的系统中如图2─3(b)中刚化应力可采用小挠度或线性理论得到图2─3 应力硬化梁要在第二类系统中使用应力硬化必须在第一个载荷步中发出SSTIF ON GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)ANSYS程序通过生成和使用一个称作应力刚化矩阵的辅助刚度矩阵来考虑应力刚化效应尽管应力刚度矩阵是使用线性理论得到的但由于应力应力刚度矩阵在每次迭代之间是变化的这个事实因而它是非线性的大应变和大挠度处理包括进初始应力效应作为它们的理论的一个子集对于许多实体和壳单元当大变型效应被激活时NLGEOM ON GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)自动包括进初始硬化效应在大变形分析中NLGEOM ON包含应力刚化效应SSTIF ON将把应力刚度矩阵加到主刚度矩阵上以在具有大应变或大挠度性能的大多数单元中产生一个近似的协调切向刚度矩阵例外情况包括BEAM4和SHELL63以及不把应力刚化列为特殊特点的任何单元对于BEAM4和SHELL63你可以通过设置KEYOPT2=1和NLGEOM ON在初始求解前激活应力刚化当大变形效应为ON开时这个KEYOPT 设置激活一个协调切向刚度矩阵选项当协调切向刚度矩阵被激活时也就是当KEYOPT 2=1且NLGEOM ON时SSTIF对BEAM4和SHELL63将不起作用在大变型分析中何时应当使用应力刚化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可能提高也可能降低收敛性在大多数情况下首先应该尝试一个应力刚化效应OFF关闭的分析如果你正在模拟一个受到弯曲或拉伸载荷的薄的结构当用应力硬化OFF关时遇到收敛困难则尝试打开应力硬化应力刚化不建议用于包含不连续单元由于状态改变刚度上经历突然的不连续变化的非线性单元如各种接触单元SOLID65等等的结构对于这样的问题当应力刚化为ON开时结构刚度上的不连续线性很容易导致求解胀破对于桁梁和壳单元在大挠度分析中通常应使用应力刚化实际上在应用这些单元进行非线性屈曲和后屈曲分析时只有当打开应力刚化时才得到精确的解对于BEAM4和SHELL63你通过设置单元KEYOPT2=1激活大挠度分析中NLGEOMON的应力刚化然而当你应用杆梁或者壳单元来模拟刚性连杆耦合端或者结构刚度的大变化时你不应使用应力刚化注意无论何时使用应力刚化务必定义一系列实际的单元实常数使用不是成比例也就是人为的放大或缩小的实常数将影响对单元内部应力的计算且将相应地降低那个单元的应力刚化效应结果将是降低解的精度旋转软化旋转软化为动态质量效应调整软化旋转物体的刚度矩阵在小位移分析中这种调整近似于由于大的环形运动而导致几何形状改变的效应通常它和预应力[PSTRES]GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)一起使用这种预应力由旋转物体中的离心力所产生它不应和其它变形非线性大挠度和大应变一起使用旋转软化用OMEGA命令中的KPSIN来激活GUI路径MainMenu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Structural-Other>Angular Velotity)关于非线性分析的忠告和准则着手进行非线性分析通过比较小心地采用时间和方法可以避免许多和一般的非线性分析有关的困难下列建议对你可能是有益的了解程序的运作方式和结构的表现行为如果你以前没有使用过某一种特别的非线性特性在将它用于大的复杂的模型前构造一个非常简单的模型也就是仅包含少量单元以及确保你理解了如何处理这种特性通过首先分析一个简化模型以便使你对结构的特性有一个初步了解对于非线性静态模型一个初步的线性静态分析可以使你知道模型的哪一个区域将首先经历非线性响应以及在什么载荷范围这些非线性将开始起作用对于非线性瞬态分析一个对梁质量块及弹簧的初步模拟可以使你用最小的代价对结构的动态有一个深入了解在你着手最终的非线性瞬时动态分析前初步非线性静态线性瞬时动态和/或模态分析同样地可以有助于你理解你结构的非线性动态响应的不同的方面阅读和理解程序的输出信息和警告至少在你尝试后处理你的结果前确保你的问题收敛对于与路程相关的问题打印输出的平衡迭代记录在帮助你确定你的结果是有效还是无效方面是特别重的简化尽可能简化最终模型如果可以将3─D结构表示为2─D平面应力平面应变或轴对称模型那么这样做如果可以通过对称或反对称表面的使用缩减你的模型尺寸那么这样做然而如果你的模型非对称加载通常你不可以利用反对称来缩减非线性模型的大小由于大位移反对称变成不可用的如果你可以忽略某个非线性细节而不影响你模型的关键区域的结果那么这样做只要有可能就依照静态等效载荷模拟瞬时动态加载考虑对模型的线性部分建立子结构以降低中间载荷或时间增量及平衡迭代所需要的计算时间采用足够的网格密度考虑到经受塑性变形的区域要求一个合理的积分点密度每个低阶单元将提供和高阶单元所能提供的一样多积分点数因此经常优先用于塑性分析在重要塑性区域网格密度变得特别地重要因为大挠度要求对于一个精确的解个单元的变形弯曲不能超过30度在接触表面上提供足够的网格密度以允许接触应力以一种平滑方式分布提供足够用于分析应力的网格密度那些应力或应变关心的面与那些需要对位移或非线性解析处的面相比要求相对好的网格使用足够表征最高的重要模态形式的网格密度所需单元数目依赖于单元的假定位移形状函数以及模态形状本身使用足够可以用来分析通过结构的任何瞬时动态波传播的网格密度如果波传播是重要的那么至少提供20个单元来分析一个波长逐步加载对于非保守的与路径相关的系统你需要以足够小的增量施加载荷以确保你的分析紧紧地跟随结构的载荷响应曲线有时你可以通过逐渐地施加载荷提高保守系统的收敛特性从而使所要求的Newton_Raphson平衡迭代次数最小合理地使用平衡迭代务必允许程序使用足够多的平衡迭代NEQIT在缓慢收敛路径无关的分析中这会是特别重要的相反地在与路径严重相关的情况下可能不应该增加平衡迭代的最大次数超过程序的缺省值25如果路径相关问题在一个给定的子步内不能快速收敛那么你的解可能偏离理论载荷响应路径太多这个问题当你的时间步长太大时出现通过强迫你的分析在一个较小的迭代次数后终止你可以从最后成功地收敛的时间步重起动ANTYPE建立一个较小的时间步长然后继续求解打开二分法²AUTOTS ON会自动地用一个较小的时间步长重起动求解克服收敛性问题如果问题中出现负的主对角元计算出过度大的位移或者仅仅没能在给定的最大平衡迭代次数内达到收敛则收敛失败发生收敛失败可能表明出结构物物理上的不稳定性或者也可能仅是有限无模型中某些数值问题的结果ANSYS程序提供几种可以用来在分析中克服数值不稳性的工具如果正在模拟一个实际物理意义上不稳定的系统也就是具有零或者负的刚度那么将拥有更多的棘手问题有时你可以应用一个或更多的模拟技巧来获得这种情况下的一个解让我们来探讨一下某些你可以用来尝试提高你的分析的收敛性能的技术打开自动时间步长当打开自动时间步长时往往需要一个小的最小的时间步长或者大的最大的步长数当有接触单元如CONTACT48CONTACT12等等时使用自动时间分步程序可能趋向于重复地进行二分法直到它达到最小时间步长然后程序将在整个求解期间使用最小时间步长这样通常产生一个稳定但花费时间的解接触单元具有一个控制程序在它的时间步选择中将是多么保守的选项设置KEYOPT7这样允许你加速在这些情况下的运行时间对于其它的非线性单元你需要仔细地选择你的最小时间步如果你选择一个太小的最小时间步自动时间分步算法可能使你的运行时间太长相反地使你的最小时间步长太大可能导致不收敛务必对时间步长设置一个最大限度DELTIM或者NSUBST特别别是对于复杂的模型这确保所有重要的模态和特性将被精确地包含进这在下列情况下可能是重要的具有局部动态行为特性的问题例如涡轮叶片和轮毂部件在这些问题中系统的低频能量含量以优势压倒高频范围具有很短的渐进加载时间问题如果时间步长允许变得太大载荷历程的渐进部分可能不能被精确地表示出来包含在一个频率范围内被连续地激励的结构的问题例如地震问题当模拟运动结构具有刚体运动的系统时注意分析输入或系统驱动频率所要求的时间步通常比分析结构的频率所要求的大几个数量级采用这样粗略的一个时间步会将相当大的数值干扰引入解中求解甚至可能变得不稳定下面这些准则通常可以帮助你获得一个好的解如果实际可行采用一个至少可以分析系统的第一阶非零频率的时间步长把重要的数值阻尼在TINTP命令中0.05P1加到求解中以过滤出高频噪音特别是如果采用了一个精略的时间步长时由于阻尼质量矩阵乘子ALPHAD命令会阻碍系统的刚体运动零频率模态在一个动态运动分析中不要使用它避免强加的位移历程说明因为强加的位移输入具有理论上加速度上的无限突跃对于Newmark时间积分算法其导致稳定性问题使用二分法无论何时你打开自动时间步长AUTOTS ON二分法被自动激活这个特性通常会使你能够从由于采用一个太大的时间步导致的收敛失败中恢复它受最小时间步长限制NSUBST DELTIM二分法对于任何对加载步长敏感的分析一般是有益的对于发现一个非线性系统的屈曲临界负载它同样是有用的使用Newton-Raphson选项和自适应下降因子Newton-Raphson选项的最佳选择将依据存在于你模型中的非线性种类变化尽管通过让程序选择Newton-Raphson选项NROPT AUTO通常你会获得最佳的收敛特性但也可能偶尔遇到使用一些其它选择会更有效的情况例如如果非线性材料的行为发生在你模型的一个相对小的区域中采用修正的Newton-Raphson或者初始刚度选项可以降低分析的总体CPU代价自适应下降因子NROPT和塑性以及某些非线性单元包括接触单元同时使用在几乎没有载荷重新分配的情况下通过关闭这个特性你可以获得更快的收敛性自适应下降在仅有大挠度的非线性的问题中几乎没有效果使用线性搜索线性搜索LNSRCH作为一个对自适应下降NROPT的替代会是有用的一般地你不应同时既激活线性搜索又激活自适应下降线性搜索方法通常导致收敛但在时间上它可能是缓慢的和昂贵的特别是具有塑性时在下列情况下你可以设置线搜索为打开状态当你的结构是力加载的其与位移控制的相反时如果你正在分析一个刚度增长的薄膜结构如一根钓鱼杆如果你注意到从程序的输出信息你的分析正导致自适应下降频频被激活应用预测预测PRED基于基于前一个时间步的求解预估在这个时间步中的求解情况因此可能减少所需的平衡迭代次数如果非线性响应相对地平滑这个特性会是有益的在大转动和粘弹性分析中它一般不是有益的应用弧长方法对于许多物理意义上不稳定的结构你可以应用弧长方法ARCLEN ARCTRM来获得数值上稳定的解当应用弧长方法时请记住下列考虑事项弧长方法限制于仅具有渐进加载方式的静态分析程序由第一个子步的第一次迭代的载荷或位移增量计算出参考弧长半径采用下列公式参考弧长半径=总体载荷或位移NSBSTP这里NSBSTP是NSUBST命令中指定的子步数当选择子步数时考虑到更多的子步将导致很长的求解时间理想地你会选择一个最佳有效解所需的最小子步数或许你不得不对所需的子步数进行评诂按照需要调整后再重新求解当弧长方法是激活的时不要使用线搜索LNSRCH预测PRED自适应下降NROPT ON自动时间分步AUTOTS TIME DELTIM或时间积分效应TIMINT不要尝试将收敛建立在位移的基础上CNVTOL U使用力的收敛准则CNVTOLF要用弧长方法来帮助使求解时间最小化一个单一子步中的最大平衡迭代数应当小于或等于15如果一个弧长求解在规定的最大迭代次数内NEQIT没能收敛程序将自动进行二分且继续分析直到获得一个收敛的解或者最小的弧长半径被采用最小半径由NSUBST NSUBST和MINARC ARCLEN定义一般地你不能应用这种方法来在一个确定的载荷或位移值处获得一个解因为这个值随获得的平衡态改变沿球面弧注意图1─4中给定的载荷仅用作一个起始点收敛处的实际载荷有点小类似地当在一个非线性屈曲分析中应用弧长方法来在某些已知的容限范围内确定一个极限载荷或位移的值可能是困难的通常你不得不通过尝试─错误─再尝试调整参考弧长半径使用NSUBST来在极限点处获得一个解应用带二分AUTOTS 的标准NEWTON-RAPHSON迭代来确定非线性载荷屈曲临界负载的值可能会更方便通常你应当避免和弧长方法一起使用JCG或者PCG求解器EQSLV因为弧长方法可能会产生一个负定刚度矩阵负的主对角线用这些求解器其可能导致求解失败在任何载荷步的开始你可以从Newton-Raphson迭代方法到弧长方法自由转换然而要从弧长到Newton-Raphson迭代转换你必须终止分析然后重起动且在重起动的第一个载荷步中去杀死弧长方法ARCLEN OFF一个弧长求解在这些情况下终止当由ARCTRM或NCNV命令定义的极限达到时当在所施加的载荷范围内求解收敛时当你使用一个放弃文件时Jobname.ABT使用载荷位一移曲线作为用于评价和调整你的分析以帮助你获得所需结果的准则通常对于每一个分析都绘制你的载荷一偏移曲线采用POST26命令是一种好的作法经常地一个不成功的弧长分析可以归因于弧长半径或者太大或者太小沿载荷一偏移曲线原路返回的回漂是一种由于使用太大或太小弧长半径导致的典型难点研究载荷偏移曲线来理解这个问题然后使用NSUBST和ARCLEN命令来调整弧长半径的大小和范围为合适的值总体弧长载荷因子SOLU命令中的ALLF项或者会是正的或者会是负的类似地TIME其在弧长分析中相关于总体弧长载荷因数同样会不是正的就是负的ALLF或TIME的负值表示弧长特性正在以反方向加载以便保持结构中的稳定性负的ALLF或者TIME值一般会在各种突然转换分析中遇到当将弧长结果读入基本数据用于POSTI后处理时SET你总是应当引用由它的载荷步和子步号LSTEP和SBSTEP或者进它的数据设置号所设定的所需结果数据不要引用用TIME值的结果因为TIME值在一个弧长分析中并不总是单调增加的单一的一个TIME值可能涉及多于一个的解此外程序不能正确地解释负的TIME值C其可能在一个突然转换分析中遇到如果TIME为负的记住在产生任何POST26图形前定义一个合适的变化范围IXRANGE或者IYRANGE在你的模型响应中人为地抑制发散如果你不想使用弧长方法来分析一个在奇异零刚度形状时开始开或者通过奇异形状的力加载的结构时有时你可以使用其它的技术来人工地抑制模型响应中的发散在某些情况下你可以使用强加的位移来替代所施加的力这种方法可以用于在较靠近平衡位置处开始一个静态分析或者用于控制整个不稳定响应期间如突然转换或后翘曲的位移其它在阻止由于初始不稳定性所造成的问题时有效的技术包括使用带有强加的初始应变的应力刚化SSTIF致冷也就是增加暂时的人工热应变或者将一个静态问题执行为一个缓慢动态分析也就是在任意一个载荷步尝试使用时间积分效应阻止解发散你也可以应用控制单元如COMBIN37或者应用其它单元的出生和死亡选项对不稳定的DOFs施加暂时的人工刚度这里的想法是在中期的载荷步期间人为地约束系统以阻止不符合实际的大位移被计算出随着系统变位到稳定的形态人工刚度被移去应用雅各比共轭梯度求解器这个求解器通过EQSLV命令获得在经历某一奇异划零零刚度状态的分析中会是有用的叶ÔJCG求解器来说相对大的求解容差有时会涂抹掉这种奇异性导致载荷一位移曲线的斜度具有某些假的非零值在EQSLV中这个求解器的容限不是非线性收敛容限雅各比共轭梯度求解器仅是一种求解线性矩阵方程的替代方法这种求解器的使用不能替代任何方式的非线性处理关闭特殊的单元形状有时在非线性分析中使用无中节点单元的形状选项会产生收敛困难合理地使用出生和死亡认识到结构的刚度矩阵的任何突然改变可能会导致收敛问题当激活或杀死单元时试着将变化分散在若干子步内如果需要采用一个小的时间步长来完成这种变化也要注意到随着你激活或杀死单元可能会产生的奇异性如尖的再生角像这样的奇异性可能产生收敛问题检验你的分析结果好的有限无分析FEA过程总是要求你检验你的结果你需要自己证明你理解了程序你正在正确地使用它以及你的分析结果正确地体现出你的结构的物理特性在检验你的非线性分析时你可以使用若干标准验证技术标准分析一个确保你了解如何恰当地施加程序的特殊特性的好的方法是通过进行一个或多个标准分析在一个标准分析中一般是你对一个有理论解存在的简单结构进行独立地分析这里的想法是通过将你的FEA结果与已知结果相对照以验证你可以正确地运用程序的特性当然标准分析结构应当与要分析的完整结构非常相似ANSYS Verification Manual 是标准问题的一种较好的来源结果合理么大多数工程师在他们职业的早期就认识到要对他们的数值结果的有效性提出疑问无论这些结果是通过手工计算计算机分析还是一些其它方法得到的在你开始任何分析前你总是应当对你期望获得的结果至少具有一个粗略的概念通过经验试验标准分析等等获得如果你最终的结果似乎不合理也就是如果它们不同于你的期望值你应当确信你理解了这是为什么好的工程实际要求你总是使你的分析结果和合理的期望值相一致。
ANSYS非线性分析
11.2 结构(jiégòu)非线性分析
➢ (4) Nonlinear标签
➢ Nonlinear标签局部(bù fen)选项及界面如表11-2及图11-4所示 。
第十六页，共204页。
11.2 结构(jiégòu)非线性分析
• 1.进入求解(qiú jiě)控制对话框 • GUI：【Main Menu】/【Solution】/【Analysis Type】/【Sol'n
Controls】 • 弹出求解(qiú jiě)控制对话框，如图11-1所示。此时的求解(qiú jiě)
用途 指定方程求解器 对于多重启动指定参数
第二十三页，共204页。
11.2 结构(jiégòu)非线性分析
图11-3 Sol'n Options标签(biāoqiān)界面
第二十四页，共204页。
11.2 结构(jiégòu)非线性分析
• 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，即缺 省的求解器，其他选项包括(bāokuò)直接求解器和PCG求解器。对于在三 维模型中实体单元使用PCG求解器可能更快。假设用PCG求解器，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 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。稀疏矩阵求解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，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，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缺乏 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对较大时使 用。
【ANSYS非线性分析】4-非线性分析方法
01112121222y y d N d d R d M d d R ελφ⎧⎫
⎧⎫⎡⎤⎧⎫=∆+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥
⎣⎦⎩⎭
⎩⎭⎩⎭ 改写为，
11112021222y y d N R d d d d M R d d εφλ-⎡⎤⎧⎫⎧⎫
⎧⎫=-⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥
-⎩⎭⎩⎭⎩⎭
⎣⎦ 求解过程中，可控制d φy 的值，求出相应的0d ε及荷载增量比例因子d λ。
由于ij d 与截面应变平面有关，需要迭代才能使截面补平衡力12,R R 趋近于零。
图4-9 位移控制法 在结构分析中控制指定位移增量，则P —δ曲线的下降段不难求得。
将底端固定顶端自由的柱，在柱顶端施加水平荷载，将柱的加载点处换为支座，而分析时控制该支座位移并求出该支座的反力，图4—9表示了得到的全过程分析P-δ曲线。
对于一般结构，将刚度矩阵重新排列，使得选择的控制位移排到最后，将原矩阵分块表示成以下形式，
111211121
22222K K du P R K K du P R ⎡⎤⎧⎫⎧⎫⎧⎫=∆+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭⎩⎭⎩⎭
λ 改写方程为，
11
11121221
2222K P R K du du K P R K -⎡⎤⎧⎫⎧⎫⎧⎫
=-⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥-∆⎩⎭⎣⎦⎩⎭⎩⎭
λ 需要指出的是，改写以后的系数矩阵是不对称的，也不是带状的，求解时需要较多的存储单元。
§4.5.4 修正完善后的弧长法 1．弧长法的基本原理
仍从结构增量平衡方程：{}{}{}11i i i i K w P g --=-∆∆λ∆。
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ANSYS结构非线性分析指南连载四--第四章材料非线性分析 (二) (2014-04-27 10:47:15)转载▼标签：it4.3 超弹性分析4.3.1 超弹理论4.3.1.1 超弹的定义一般工程材料（例如金属）的应力状态由一条弹塑性响应曲线来描述，而超弹性材料存在一个弹性势能函数，该函数是一个应变或变形张量的标量函数，而该标量函数对应变分量的导数就是相应的应力分量。
上式中：[S]＝第二皮奥拉－克希霍夫应力张量W＝单位体积的应变能函数[E]＝拉格朗日应变张量拉格朗日应变可以由下式表达：[E]＝1/2（[C]-I）其中：[I]是单位矩阵，[C]是有柯西－格林应变张量其中[F]是变形梯度张量，其表达式为：x：变形后的节点位置矢量X：初始的节点位置矢量如果使用主拉伸方向作为变形梯度张量和柯西－格林变形张量的方向，则有：其中： J=初始位置与最后位置的体积比材料在第i个方向的拉伸率在ANSYS程序中，我们假定超弹材料是各向同性的，在每个方向都有完全相同的材料特性，在这种情况下，我们既可以根据应变不变量写出应变能密度函数，也可以根据主拉伸率写出应变能密度函数。
应变不变量是一种与坐标系无关的应变表示法。
使用它们就意味着材料被假定是各向同性的。
Mooney －Rivlin和Blatz－Ko应变能密度函数都可以用应变不变量表示，应变不变量可以柯西－格林应变张量和主拉伸率表示出来：一个根据应量不变量写出来的应变能密度函数如下：为材料常数，上式是两个常数的Mooney－Rivlin应变能密度函数。
超弹材料可以承受十分大的弹性变形，百分之几百的应变是很普遍的，既然是纯弹性应变，因此超弹性材料的变形是保守行为，与加载路径无关。
4.3.1.2 不可压缩缩性大多数超弹材料，特别是橡胶和橡胶类材料，都是几乎不可压缩的，泊松比接近于0.5，不可压缩材料在静水压力下不产生变形，几乎不可压缩材料的泊松比一般在0.48至0.5之间（不包含0.5），对这些材料，在单元公式中必须考虑不可压缩条件。
在ANSYS程序中，不可压缩超弹单元修改了应变能密度函数，在单元中明确地包含了压力自由度。
压力自由度使不可压缩条件得到满足，而不降低求解速度。
压力自由度是一种内部自由度，被凝聚在单元内部。
4.3.1.3 超弹单元有三种单元适合于模拟超弹性材料：不可压缩单元有HYPE56，58，74和158，这些单元适用于模拟橡胶材料。
可压缩单元有HYPER84和86，HYPER84既可以是4节点矩形也可以是8节点矩形单元，这种单元主要用来模拟泡沫材料。
18X族单元(除LIMK和BEAM单元外，包括SHELL181,PLANE182,PLANE183,SOLID185,SOLID186,和SOLID187)。
18X族单元消除了体积锁定，既适用于不可压材料，又适用于可压材料。
参见《ANSYS Elements Reference》的“Mixed U-P Formulations”。
4.3.2 超弹材料选项超弹性可用于分析橡胶类材料(elastomers)，这种材料可承受大应变和大位移，但体积改变极微(不可压缩)。
这种分析需用到大应变理论[ NLGEOM ,ON]。
图4-13是一个例子。
图4-13 超弹性结构在ANSYS超弹性模型中，材料响应总是假设各向同性和等温性。
由于这一假设，应变能势函数按应变不变量来表示。
除非明确指出，超弹性材料还假设为几乎或完全不可压缩材料。
材料热膨胀也假定为各向同性的。
ANSYS在模拟不可压缩或几乎不可压缩超弹性材料时，应变能势函数有几种选项。
这些选项均适用于SHELL181,PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187 单元。
可以通过TB ,HYPER 命令的 TBOPT参数进入这些选项。
其中一个选项，Mooney-Rivhlin 选项，也适用于HYPER56, HYPER58, HYPER74, HYPER158 单元，以及显式动力分析单元PLANE162,SHELL163, SOLID164。
这一选项可通过TB ,MOONEY 命令进入。
4.3.2.1 Mooney-Rivlin超弹性选项(TB,HYPER)请注意本小节论述应用Mooney-Rivlin 选项与单元SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187。
如果你想应用Mooney-Rivlin选项于单元HYPER56, HYPER58, HYPER74, HYPER158, PLANE162, SHELL163,SOLID164，则参见§4.3.2.7。
Mooney-Rivlin选项( TB ,HYPER,,,,MOOMEY)是缺省项，允许用户通过 TB命令的 NPTS参数定义2，3，5或9个参数。
例如，为了定义5参数模型，用户采用 TB ,HYPER,1,,5,MOONEY。
2参数Mooney-Rivlin选项，适用于应变大约为100%(拉)和30%(压)的情况。
与其他选项相比，较高阶的Mooney-Rivlin选项，对于较大应变的求解，可得到较好的近似。
下例是3参数Mooney-Rivlin选项的输入实例：TB,HYPER,1,,3,MOONEY !Activate 3 parameter Mooney-Rivlin data tableTBDATA,1,0.163498 !Define c10TBDATA,2,0.125076 !Define c01TBDATA,3,0.014719 !Define c11TBDATA,4,6.93063E-5 !Define incompressibility parameter!(as 2/K, K is the bulk modulus)对于本选项所需要的材料常数的描述，见《ANSYS Elements Reference》。
4.3.2.2 Ogden选项Ogden选项( TB ,HYPER,,,,OGDEN)允许用户通过TB 命令的 NPTS参数定义无限参数，例如，应用TB,HYPER,1,,3,OGDEN 定义3参数模型。
与其他选项相比，Ogden选项通常对大应变水平的求解提供最好的近似。
可应用的应变水平可达到700%。
较高阶的参数可提供更精确的解。
但是这样也可能在拟合材料常数时引起数值困难，而且它要求在用户感兴趣的变形范围内要有足够的数据。
下面是2参数Ogden选项的输入列表:TB,HYPER,1,,2,OGDEN !Activate 2 parameter Ogden data tableTBDATA,1,0.326996 !Define μ1TBDATA,2,2 !Define α1TBDATA,3,-0.250152 !Define μ2TBDATA,4,-2 !Define α2TBDATA,5,6.93063E-5 !Define incompressibility parameter!(as 2/K, K is the bulk modulus)!(Second incompressibility parameter d2 is zero)对于这个选项所需要的材料常数的论述，请参见《ANSYS Elements Reference》。
4.3.2.3 Neo-Hookean超弹性选项Neo-Hookean选项( TB ,HYPER,,,,NEO)代表应变能势能的最简单形式，可用于应变范围20-30%。
下面是Neo-Hookean选项的一个输入列表示例：TB,HYPER,1,,,NEO !Activate Neo-Hookean data tableTBDATA,1,0.577148 !Define incompressibility parameter!(as 2/K, K is the bulk modulus)对于这个选项所需要的材料常数的论述，请参见《ANSYS Elements Reference》。
4.3.2.4 多项式超弹性选项多项式选项( TB ,HYPER,,,,POLY)允许用户通过TB 命令的 NPTS参数定义无限多个参数。
例如应用TB,HYPER,1,,3,POLY 定义3参数模型。
与高阶Mooney-Rivlin选项相似，本选项对高应变水平可提供较好的近似。
在 NPTS =1，常数=0，这一选项等价于Neo-Hookean选项(用户可参见§4.3.2.3)。
在 NPTS =1时，本选项等价于2参数Mooney-Rivlin选项。
在 NPTS =2时，来选项等价于5参数Mooney-Rivlin选项。
在 NPTS =3时，本选项等价于9参数Mooney-Rivlin选项(参见§4.3.2.1)。
对于本选项所要求的材料常数，参见《ANSYS Elements Reference》。
4.3.2.5 Arruda-Boyce超弹性选项Arruda-Boyce选项( TB ,HYPER,,,,BOYCE)可用于直到300%的应变水平。
下面是本选项的一个例子: TB,HYPER,1,,,BOYCE !Activate Arruda-Boyce data tableTBDATA,1,200.0 !Define initial shear modulusTBDATA,2,5.0 !Define limiting network stretchTBDATA,3,0.001 !Define incompressibility parameter!(as 2/K, K is the bulk modulus)对于本选项所要求的材料常数，参见《ANSYS Elements Reference》。
4.3.2.6 用户定义超弹性选项用户定义选项( TB ,HYPER,,,,USER)允许用户应用子程序USERHYPER来定义应变能势对应变不变量的导数，参见《ANSYS Guide to User Programmable Features》。
4.3.2.7 Mooney-Rivlin超弹性选项(TB,MOONEY)请注意这一选项适用于HYPER56,HYPER58,HYPER74,HYPER158,PLANE162,SHELL163,SOLID164 等单元。
如果要应用Mooney-Rivlin选项于SHELL181, PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187等单元，请参见§4.3.2.1 。
ANSYS的单元类型HYPER56,HYPER58,HYPER74,HYPER158，应用直到9个Mooney-Rivlin弹性势能函数。