ANSYS与ABAQUS稳定性研究比较

ANSYS与AB AQUS稳定性分析比较（转载•来自结构工程师崔家春的个人空间）其实，这些东西很简单，大多数朋友应该都比较了解。

但是作为整个稳定性分析的一部分，觉得还是整理一下吧，也算是对后来者乂抛了一块砖。

算例描述：为了能体现岀一般性，我故意找了一个比较大的结构。

这是一个单层网壳结构, 最大尺寸在90m左右，杆件长度在1.13nv3.63m之间，截面形式为箱型截面；构件布置见下图。

荷载任意挑选一个标准组合（具体是哪个不记得，只是验证软件单元特征，没有关系）。

在ANSYS软件中分别采用BEAM44x BEAM 188和BEAM 189进行计算。

分析结果见下文。

备注：表格中Nl、N2分别代表每根构件采用1、2个单元；El、E2代表第1、 2阶屈曲荷载因子；ANSYS BEAM 188分析结果山表格可以看出，利用ANSYS软件进行Buckling分析时，不同BEAM单元类型对单元剖分数量的要求。

（1）B EAM44和BEAM 189对单元的剖分数量要求较低，每根构件采用1个单元和采用2、3、4个单元时计算结果相差不大，在工程上这种误差应该是可以接受的。

（2）B EAM 188单元对单元剖分数量的要求要高一些，从结果来看，每根杆件釆用5个BEAM 188单元计•算结果才与釆用1个BEAM44或BEAM189 单元计算结果相同。

（3）在利用ANSYS进行Buckling分析时，以选用BEAM44与BEAM 189单元为佳。

（4）选用BEAM44单元时，虽然每根杆件釆用1个单元和多个单元计算结果相差不大，但是本人还是建议每根杆件选用2至3个单元。

理论上对于每根构件而言，在设计时已经保证了其稳定性，但是我们也可以在整体稳定性分析过程中进一步对其进行校核。

如果采用1个单元，就达不到这个效果。

（5）理论上能选择189单元是最好不过啦，不过考虑其是3节点单元，有时候从其它软件数据转过来时可能会有点不方便。

（6）考虑到后期进行非线性稳定计算，山于BEAM44单元不能考虑材料非线性，在前后延续上还是釆用BEAM 189比较好，而且3节点单元在单元剖分数量上要求也较低。

下面给岀每种单元计算得到的屈曲模态（每行从左到右分别为笫1、2、3阶）：BEAM44单元讣算结果SFHH JBEAM 188单元计算结果■丘BEAM 189单元计算结果从振型图可以看出，不同单元类型、不同单元剖分数量条件下计算得到的屈曲模态是相同的，虽然屈曲荷载因子有所不同。

在ABAQUS软件中，常用的梁单元有B31、B32和B33。

其中B31和B33是两节点单元，而B32是三节点单元。

仍采用上文ANSYS分析对象为模型，计算结果见下文。

ABAQUS B31分析结果备注：表格中Nl. N2分别代表每根构件采用1、2个单元；El、E2代表第1、 2阶屈曲荷载因子；ABAQUS B32单元分析结果ABAQUS B33单元分析结果在理论上，ABAQUS的B31相当于ANSYS的BEAM 188,都是一次积分单元；而B32和ANSYS的BEAM 189相似，都是二次积分梁单元；B33相当于ANSYS 的BEAM44单元，都是Euler-Bernoulli梁。

所以从上面表格中可以看岀，它们的计算结果数据特征也较为相似。

（1）B31对单元剖分的密度要求较高，每根构件釆用3个B31单元时，其计算结果才与采用1个B32单元时的相同；而且从汁算结果的稳定性来看, 选用B31单元时，其单元剖分数量应在3以上；（2）B32是三节点单元，所以计算精度较高。

从分析结果来看,在进行Buckling 分析时，每根构件采用1个B32已经满足工程精度要求；（3）B33介于B31和B32之间，更接近与B32；分两段已经足够精确。

（4）建议在Buckling分析中釆用B32单元。

下面给出B31和B32单元计算得到的屈曲模态（每行从左到右分别为笫1、2、3 阶）：单元计算结果B31单元计算结果毎廉许& 1令■•元月段瞬件；牛韋元B32自＞6利棋2外眾无B33单元［；［•算结果从振型图可以看出，不同单元类型、不同单兄剖石数量条件下计算得到的屈曲模态是相同的，虽然屈曲荷载因子有所不同。

前文《ANSYS与ABAQUS稳定性分析比较1-Buckliig分析ANSYS单元选取》和《ANSYS与ABAOUS稳定性分析比较2-Buckling分析ABAOUS单元选取》分别利用ANSYS和ABAQUS对一个单层网壳结构进行Buckling分析，U的是比较这两个软件的不同梁单元对单元剖分数量的要求，以及通过计算结果分析每种单元对Buckling分析的适用性。

这里我想就两个软件的单元进行一下对比。

前文中建议，当采用ANSYS 分析时，可以采用BEAM 189单元,而采用ABAQUS 时宜选取B32单元。

那么我们就把问题集中在这两种单元上吧。

回头比较一下BEAM 189和B32的计算结果：ANSYS BEAM189分析结果ABAQUS B32单元分析结果好像比较奇怪,所有B32的计算结果都比BEAM 189的小。

虽然相差不大,但是哪个结果更准确呢？这估计就要追溯软件的内核了，有空再进行研究。

其实，现在的软件内核都是有限元，可能每家的求解方法稍有不同，但是其本质基本上是一样的。

就拿Buckling分析来说吧，选择哪个软件应该都没有问题，只要采用合适的单元类型，保证足够的单元剖分数量，计算结果应该儿乎相同，其误差在工程上是完全可以接受的。

ANSYS的三个梁单元和ABAQUS中三个梁单元刚好一一对应，以后大家用起来可以相互作为参考，其对应关系为：>BEAM44 --B33： Euler-Bernoulli 梁，两节点>BEAM188—B31： Timoshenko 梁，线性积分，两节点>BEAM189—B32： Timoshenko 梁，二次积分，三节点接着前面的工作，仍采用那个单层网壳结构计算模型作为分析对象，分别利用 ANSYS和ABAQUS进行非线性整体稳定分析oANSYS中选用BEAM 189单元, 而ABAQUS中选用B32单元，每根杆件取一个单元。

都是采用RIKS弧长法，施加的荷载均为前文Buckling分时中荷载的7.0倍。

提取结果时均提取同一个节点的Z向位移，计算结果见下图：药钦-位移他践（品旳出）山上图可以看出，两个软件的数值大小和曲线走势吻合的较好，ANSYS的结果比ABAQUS稍大，但可以认为在误差数量级以内。

总体上讲，这两个计算结果都不错，基本上反映出结构的屈曲过程，“荷载■位移”曲线比较完整。

其实ANSYS的曲线是结算结果的完整曲线，曲线的终点也就是计算发散位置；而ABAQUS那条曲线只是计算结果的一部分，后面还很长一段被我去掉了，因为觉得没什么意义。

最大荷载系数时结构的变形见下图：山上图可以看出，最大荷载系数时两个软件计算得到的变形相同。

下面可以对两个软(I ) ABAQUS<2) ANSYS件做一个小结：（1）利用弧长法都可以进行结构的非线性稳定分析，计算得到的最大荷载因子、荷载■位移曲线、最大荷载对应的变形图基本相同；（2）ABAQUS计算速度更快，十儿分钟即可结束战斗，而且可以得到整个屈曲过程的荷载■位移曲线（甚至觉得曲线太长了）；而ANSYS需要儿个小时（注:可能与我的设置有关，请勿被误导）。

（3）ABAQUS比较容易收敛，而且较容易得到完整的“荷载■位移”曲线；而ANSYS 通常很难得到屈曲后的过程，除非反复调整参数，但随之带来的问题是较长的计算时间。

（4）大型、复杂的结构在ABAQUS中建模比较困难，即使是利用其它手段也会导致调整比较麻烦的问题，而ANSYS前处理则可以较好的实现模型调整的功能，后处理也非常方便。

（5）其实，两个软件算非线性稳定都很OK。

主要是看用户自己哪个用的比较顺手。

失稳破坏是一种突然破坏，人们没有办法发觉及釆取补救措施，所以其导致的结果往往比较严重。

正因为此，在实际工程中不允许结构发生失稳破坏。

导致结构失稳破坏的原因是薄膜应力，也就是轴向力或面内力。

所以在壳体结构、细长柱等结构体系中具有发生失稳破坏的因素和可能性。

这也就是为什么在网壳结构的设计过程中稳定性分析如此被重视的原因。

下面根据本人多年来的研究及工程计算经验，谈谈个人对整体稳定性分析的一点看法，也算做一个小结。

1稳定性分析的层次在对某个结构进行稳定性分析，实际上应该包括两个层次。

（一）是单根构件的稳定性分析。

比如一根柱子、网壳结构的一根杆件、一个格构柱（桅杆）等。

单根构件的稳定通常可以根据规范提供的公式进行设讣。

不过对于山多根构件组成的格构柱等子结构，还是需要做实验及有限元分析。

（二）是整个结构的稳定分析。

比如整个网壳结构、混凝土壳结构等结构整体的稳定性分析。

整体稳定性分析目前只能根据有限元计算来实现。

2整体稳定性分析的内容通常，稳定性分析包括两个部分：Buckling分析和非线性“荷载■位移”全过程跟踪分析。

（1）Buckling 分析Buckling分析是一种理论解，是从纯理论的角度衡量一个理想结构的稳定承载力及对应的失稳模态。

tl前儿乎所有的有限元软件都可以实现这个功能。

Buckling 分析不需要复杂的计算过程，所以比较省时省力，可以在理论上对结构的稳定承载力进行初期的预测。

但是山于Buckling分析得到的是非保守结果，偏于不安全，所以一般不能直接应用于实际工程。

但是Buckling 乂是整体稳定性分析中不可缺少的一步，因为一方面Buckling 可以初步预测结构的稳定承载力，为后期非线性稳定分析施加的荷载提供依据；另一方面Buckling分析可以得到结构的屈曲模态，为后期非线性稳定分析提供结构初始儿何缺陷分布。

列外本人认为通过Buckling分析还可以进一步校核单根构件截面设计的合理性。

通过Buckling分析得到的屈曲模态，我们可以看岀结构可能发生的失稳破坏是整体屈曲还是局部屈曲。

如果是局部屈曲，那么为什么会发生局部屈曲？局部屈曲的荷载因子是否可以接受？是否是山于局部杆件截面设计不合理所导致？这些问题希望能引起大家的注意。

（2）非线性稳定分析询文已经讲过，Buckling分析是一种理论解。

但是曲于加工误差、安装误差、温度应力、焊接应力等因素的存在，现实中的结构多少都会存在一些初始缺陷，其稳定承载力与理论解肯定存在一定的差别。

另外，由于Buckling分析是线性的，所以它不可以考虑构件的材料非线性，所以如果在发生屈曲之前部分构件进入塑性状态，那么Buckling也是无法模拟的。

所以必须利用非线性有限元理论对结构进行考虑初始儿何缺陷、材料弹塑性等实际因素的稳定性分析。

U前应用较多的是利用弧长法对结构进行“荷载■位移”全过程跟踪技术，来达到计算结构整体稳定承载力的目的。