ANSYSWorkbench结构非线性培训一般过程解析课件

1、Workbench Mechanical结构非线性第二章一般过程第1页，共29页。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:建立非线性模型分析设置非线性结果后处理作业章节概述第2页，共29页。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?某些情况，它们没有不同!承受大变形和应力硬化效应的轻微非线性行为可能不需要对几何和网格进行修正.另外情况, 则必须包含特殊特征:特定属性的单元 (如接触单元)第3，4章中讨论非线性材料数据 (如塑性应力-应变数据) 第5，6章中讨论包括克服导致收敛问题奇异性的几何特征. (如. 增加尖角的半径

2、)需要特别注意:大变形下的网格控制考虑事项非线性材料大变形的单元技术选项大变形下的加载和边界条件的限制第3页，共29页。对于网格, 如果预期有大应变, 形状检查选项应改为 “Aggressive”对大变形分析, 如果单元形状改变, 会减小求解的精度使用 “Aggressive” 形状检查, WB-Mechanical保证求解之前网格的质量更好，以预见在大应变分析过程中单元的扭曲。“Standard” 形状检查的质量对线性分析很合适，因此在线性分析中不需要改变它。当设置成 “aggressive” 形状检查时，很可能会出现网格失效 。WB-Mechanical Intro中介绍了检测和修补网格失

3、效的方法。. 建立非线性模型第4页，共29页。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: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。 线性结果是外插值的非线性结果是复制的s, eu. 建立非线性模型第5页，共29页。Element Control 设为 Manual, 用户可手动触发完全或缩减积分这个选型影响单元内积分点的数量.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

4、全积分有助于提高精确度. . 建立非线性模型第6页，共29页。WB Mechanical 默认采用高阶单元(有中节点)来划分网格.用户可使用选项来放弃中节点大变形中, 对几乎或完全不可压缩非线性材料的弯曲为主问题, 有时候放弃中间节点允许程序自动执行增强应变公式是有利的参考附录 B，讨论更多单元技术细节. . 建立非线性模型20-节点六面体8-节点六面体保留中节点(二次形状函数)放弃中节点(线性形状函数)第7页，共29页。大变形分析中，注意载荷的方向及其对结构的影响是很重要的:载荷类型变形前的方向变形后的方向加速度（恒定方向）压力（始终垂直于表面）. 建立非线性模型集中力， 弯矩，螺栓载荷 （

5、恒定方向）第8页，共29页。非线性求解有什么不同?Multiple matrix solutions:线性静力问题，矩阵方程求解器只需要一次求解 (左图)非线性的每次迭代需要新的求解 (右图 ).B. 获得非线性求解KFuFu1234F = KuFi = KiuiKi第9页，共29页。非线性求解有什么不同?非线性分析中有许多选项设置需要考虑. 载荷步控制 - 载荷步和子步求解器控制 - 求解器类型非线性控制 - N-R 收敛准则输出控制 - 控制载荷历史中保存的数据 下面幻灯片中讨论每个工具.获得非线性求解第10页，共29页。载荷步控制载荷步控制下的“自动时间步”, 使用户可定义每个加载步的初

6、始，最小和最大子步数.如果WB-Mechanical 有收敛问题, 将使用自动时间步对求解进行二分.二分会以更小的增量施加载荷(在指定范围内使用更多的子步) 从最后成功收敛的子步重新开始. 获得非线性求解第11页，共29页。载荷步控制 (contd)如果没有定义 (Auto Time Stepping = Program Controlled), WB-Mechanical将根据模型的非线性特性自动设定.如果使用缺省的自动时间步设置, 用户应通过在运行开始查看求解信息和二分来校核这些设置.更多细节在第7章 “非线性诊断” 中讨论. 获得非线性求解第12页，共29页。求解器控制求解器类型有Dir

7、ect 和Iterative.这涉及到程序代码对每次Newton-Raphson 平衡迭代建立刚度矩阵的方式.直接(稀疏) 求解器适用于非线性模型和非连续单元(壳和梁).迭代 (PCG) 求解器更有效(运行时间更短) ，适合于线弹性行为的大模型.默认的 Program Controlled” 将基于当前问题自动选择求解器. 获得非线性求解第13页，共29页。求解器控制 (contd)在Analysis Settings的Solver Control中，设置 “Large Deflection” = ON: 多次迭代后调整刚度矩阵以考虑分析过程中几何的变化.也包括应力硬化效应. 获得非线性求解第

8、14页，共29页。非线性控制自动计算收敛容差. 在 Newton-Raphson 迭代过程中用来确定模型何时收敛或 “平衡”默认收敛准则适用于大多工程应用.对特殊情形, 用户可不考虑缺省值而收紧或放松收敛容差.加紧的收敛容差给出更高精确度，但可能使收敛更加困难. 获得非线性求解第15页，共29页。非线性控制 (Contd)如果模型中有转动自由度(如. 出现梁/或壳单元的时候) ，力平衡外还要增加力矩平衡. . 获得非线性求解第16页，共29页。非线性控制 (contd)可增加位移和/或转动 DOF 值的平衡检查，作为对力 /力矩平衡的补充. 出现接触非线性的时候, 默认的并不包括这些额外的检查

9、，因为它们被认为是会过度限制并可导致不必要的发散. 获得非线性求解第17页，共29页。力收敛图中显示了力的准则和残余力 (“收敛力”). 当残余力小于准则值，认为子步收敛.求解信息图中也分别用绿色和蓝色折线显示了收敛子步和载荷步. 获得非线性求解ResidualCriteria第18页，共29页。非线性控制 (contd)如改变收敛准则, 程序会删除所有默认的准则!例如, 如果要增加位移收敛检查，则力收敛检查将被删除. 保证重新建立力收敛准则.重新定义收敛准则后, 应该确认求解信息窗口的信息，以确保预期的平衡检查是激活的. 获得非线性求解第19页，共29页。为什么必须重新建立力收敛准则 ?只依

10、赖位移收敛检查某些情况会导致错误的结果.Big Residual因为以位移为基础的收敛仅提供表现收敛的相对量度, 只用来作为对以力为基础的收敛的补充.以力为基础的收敛提供了收敛量的绝对量度, 因为它是内部和外部力间平衡的度量. 获得非线性求解第20页，共29页。非线性控制 (contd)最小参考值 (MINREF) 是一安全值，可阻止求解尝试收敛到零 .如自由体 (无约束的) 系统或机械装置没有外力作用, 准则 (eR * |F|2) 将为零. 如果准则为零, 求解不会收敛!在这种情况,程序重新定义准则为 (eR * MINREF). 这里 eR 是收敛容差值.分析使用的MINREF缺省值取决

11、于问题的物理性质. 获得非线性求解第21页，共29页。非线性控制 (contd)线性搜索是加强收敛的附加工具. 激活时,当探测到硬化响应,线性搜索利用01间的程序计算的比例因子乘以位移增量, 典型的是在接触应用中.默认的程序在出现接触单元的时候打开线性搜索. 可以不管默认设置，选择打开或关闭. 获得非线性求解第22页，共29页。收敛准则指导:大多时候可很好应用默认收敛准则.很少需要改变准则.为收紧或放松准则, 不改变默认参考值, 但是改变容差因子一到两个量级.不采用 “放松” 准则来消除收敛困难.这会简单地使求解收敛于错误的结果!收紧准则需要更多的平衡迭代.察看求解中的 MINREF 警告消息

12、. 确保使用的最小参考值对求解的问题来说是有意义的. 获得非线性求解第23页，共29页。查看非线性结果有什么不同?查看非线性结果过程和线性问题的相似. 不同的是通常有更多的信息多个结果集每个结果集含有更多信息 (如 接触状态, 压力, 渗透, 塑性应变.等).非线性分析会产生响应历程响应历程动画响应历程曲线图C. 查看非线性结果第24页，共29页。对大变形问题, 通常应从Result工具栏按实际比例缩放来查看变形任何结构结果都应该被查询到, 如下所示的等效应力 模型所示是一装配例子. 查看非线性结果第25页，共29页。如果定义了接触, 接触工具可用来对接触相关结果进行后处理 (压力, 渗透, 摩擦应力,