ANSYS在加工中的应用(东大连铸连轧)

ANSYS有限元

及其在加工中的应用轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）2008,10,10RAL目录1金属塑性成形技术的分类2成形工步分类及简要说明3理论解析方法及有限元方法简介4有限元法在应用中存在的问题5ANSYS有限元法

5.1软件的概况及发展

5.2前处理：实体建模及模型直接生成

5.3分析问题的类型：

1)结构静力分析

2)结构动力分析

3)热分析

4)电磁场分析

5)电场分析

6)流体动力分析

5.4ANSYS单元库

5.5后处理：通用后处理、时间-历程后处理

5.6ANSYS参数化设计语言APDL5.7与其它软件的集成6计算实例

6.1压入过程分析

6.2热传导过程分析

6.3二维板带轧制过程的模拟7大型有限元程序简介RAL目录

金属塑性成形技术是指金属坯料在工模具的外力作用下发生塑性变形，并被加工成棒材、板材、管材以及各种机械零件、构件或日用器具等技术。塑性成形加工的作用如下：1）塑性成形可将金属坯料内的疏松和空洞压实，提高其性能和质量；2）塑性成形引起再结晶，从而改变金属坯料的铸态组织、晶粒和偏析状态，改善金属坯料的组织结构；3）在塑性成形过程中，通常采用各种模具型腔，可制造各种形状的构件。塑性成形是在一定工模具和设备动力作用下进行的，坯料在一种工模具和设备动力作用下获得一定的变形，改变了原始形状，称为一个工步。工步是塑性成形技术的基元。其从材料变形上分类如下：RAL一、金属塑性成形技术的分类RAL一、金属塑性成形技术的分类图1，金属塑性成形技术的分类(连铸坯)RAL二、成形工步分类及简要说明不同的工步，由于其坯料形状不同及工、模具形状和运动方式不同，坯料在塑性成形过程中的应力和应变状态有很大的差别。(模型的建立)（1）按原料供应状态不同，分为初加工和深加工；（2）按原料形状不同，分为体积成形和板料成形；（3）按成形过程塑性区模式不同，分为稳态成形和非稳态成形；（4）按坯料形状及工模具和设备的不同，可分为轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻和板料成形等。常见的工步分类如表1所示。RAL二、成形工步分类及简要说明表1常见工步分类塑性成形工步分类工步名称轧制板带轧制，型材轧制，管材轧制，齿轮轧制，楔横轧，切分轧制，板带辊压，环轧挤压型材挤压，静液挤压，正挤压，反挤压，复合挤压拉拔棒材，线材，管材拉拔自由锻镦粗，拔长，冲孔，局部镦头模锻开式、闭式模锻，压印，等温锻，粉末锻，旋转锻造，弯曲板料成形冲裁，压弯，拉弯，拉深，旋压，翻边，缩口，扩口，液压成形等（1）轧制：轧制是以两个或几个轧辊为工具，在轧机动力作用下相对转动，坯料由外力作用或由轧辊表面摩擦力带动，在辊缝间压缩成形，如轧辊为平辊，则可轧制板带，如辊面制成轧槽，可轧制各种工型材、管材等。如图2。RAL二、成形工步分类及简要说明图2轧制过程简图(a)无缝管穿孔轧制(b)板带轧制RAL二、成形工步分类及简要说明（2）挤压：坯料放在挤压筒内，在挤压杆和压力机外力的作用下，坯料被挤压从凹模向外流动，从而产生塑性变形。按坯料形状和运动方式的不同，可挤压出各种型材，如图3所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图3挤压成形过程简图(a)正挤压(b)反挤压（3）拉拔：坯料放入凹模内，在拉拔力作用下，发生塑性变形。根据凹模型腔的不同，可拉制出各种管材和型材。如图4所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图4拉拔成形过程简图(a)棒材拉拔(b)管材拉拔（4）自由锻：在锻锤或压力机上，采用锤砧等简单的通用工具，将热锭或坯料在高度方向压缩而水平方向自由伸展，制造出各种零件，如图5所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图5自由锻成形过程简图(a)镦粗(b)拔长(c)冲孔(d)局部镦头（5）模锻：坯料放入一种专用锻模型腔内，在锻锤或压力机作用下，在模腔形状的约束下产生变形，制造各种锻件。如图6所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图6模锻成形过程简图(a)开式模锻(b)闭式模锻（6）板料成形：以板材为坯料，冲头在压力机作用下，使坯料在冲模内变形，加工成各种构件和制品。如图7所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图7板料成形过程简图(a)剪切(b)弯曲(c)拉深工步分析的目的：工步分析的目的是要计算出各种塑性成形工步塑性变形区的应力场、应变场及温度场，并分析其变形特性。应力场主要计算工步变形力和力能消耗，为选择设备，计算和设计工模具结构及强度提供依据。应变场可了解应变分布状态，为设计坯料和模具型腔，控制应变集中，避免出现变形过程的破裂、折叠或充不满现象提供理论依据。同时以此分析和确定改变坯料的原始铸态组织结构，焊合空洞等缺陷所需的变形量；通过与温度场联合使用，分析产品变形后的组织状态、晶粒度和硬度分布。获得工步分析数据，为制定和优化工艺规程，控制产品质量及开发新工艺提供科学依据。塑性成形的理论和工艺学组成了塑性成形技术的整体系统工程。如图8所示。RAL二、成形工步分类及简要说明图8金属塑性成形系统工程框图

RAL二、成形工步分类及简要说明（1）数学解析法：塑性成形时力学解析的最精确的解法是联立求解塑性应力状态和应变状态的基本方程，这些方程是微分平衡方程、变形一致性方程、本构关系，塑性条件和边界条件等。一般情况下共有16个未知数，联立求解16个方程。实际求解时很困难，通常只能求解简单的二维问题。不少学者在简化求解问题上给出了很多近似方程和实验方法。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（2）主应力法：又称切块法，是一种近似解法，是通过对变形体的应力状态作一些假设，建立以主应力表示的平衡方程和塑性条件，然后求解接触面上的应力大小和分布。其基本要点是：a)根据金属流动方向，沿变形体整个截面切取基元体，切面上正应力假定为主应力，且均布，以此建立基元体的常微分平衡方程；b)列出基元体塑性条件时，常假设接触面上正应力为主应力，即忽略摩擦的影响，以简化求解。其计算的准确性有赖于切块法与主应力假设是否合理。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（3）滑移线法：由列维(M.levy)于1871年提出，1923年Prantle第一个应用以解决平面应变问题，是一个比较完善的近似计算方法。它认为材料符合于Mises假设，忽略弹性变形。一般认为材料变形是剪切应力作用引起的，塑性条件满足Mises塑性判据。由于剪应力成对、正交，所以在变形体内可以找到由各点最大剪应力组成的两组互相垂直的曲线族，金属的塑性变形沿两族曲线进行。近年来已解决了轴对称问题，考虑了加工硬化，出现了滑移线场的矩阵算法，应用矩阵算法和迭加原理求解滑移线场。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（4）极限分析法（上限法和下限法）：上限法是使变形体在边界上满足速度边界条件，而下限法只管应力边界条件。都假设变形体符合Mises条件，根据塑性理论的基本能量方程式来求解。上限法是从假定满足速度边界条件的速度场出发，再满足塑性条件和动可容条件，根据最小耗能原理，求出满足速度边界条件的速度场，认为是真实速度场，所得解大于真实解。用上限法确定变形载荷，在选用设备时有一定的应用价值。其基本方程为：下限法是从假设满足应力边界的应力场出发，根据平衡方程求解变形区应力场，即认为是真实解，所得解小于真实解。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（5）直观塑性法（视塑性法）：直观塑性法是一种半经验法，它是在试件的典型代表面上用光刻法或其它方法刻出坐标网格，使其塑性变形，再精确测量变形后试件上网格的变化，以此计算出速度场和应变速率，应用本构关系求得应力。可用流函数法或差分法计算速度场。其缺点是先要有准确的实验数据，工作量大。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（6）密栅云纹法：密栅云纹法是利用两组相互重叠的栅线间光的几何干涉现象产生的明暗相间的云纹来测量各种物体变形状态。试验中将试件栅板贴在试件上，加载时试件栅与试件一起变形，变形后将基准栅与试件栅贴在一起就能观察到云纹图，以此算出位移和转角，进一步求出应变。式中：----线应变、角应变；

----基准栅与试件栅的原始节距；

----平行云纹的间距；----云纹与基准栅的夹角；

----试件栅与基准栅的转角。如考虑时间因数可得到应变速率，应用本构关系可以求得应力。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（7）其它数值方法：包括边界元法(BEM,BoundaryElementMethod)，加权残数法(WeightedResidualsMethod)，复合数值法(CombinedNumericalAnalysis)，变形模式法(DeformationModeMethod)等。边界元法是继有限元法之后发展起来的一种新的数值方法，它仅仅在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件，单元和未知数少，数据准备简单，但求解非线性问题时，遇到同非线性项对应的区域积分，存在奇异性，使求解困难。加权残数法是比有限元法和边界元法更为普遍的数值计算方法。其出发点是把未知数按一组选定的试探函数展开，通过调整系数和函数，有选择地给出方程的最佳解。结果与有限元法相近，计算时间较短。RAL三、理论解析方法及有限元法简介复合数值法是日本学者木内学首先提出的。其基本思想是把有限元法与其它方法想结合，既可得有限元法的详细解，又可大幅度减少计算时间。变形模式法由辛平等人提出，是把3维变形分解为横断面上的2维变形和纵向延伸两部分，同时把横断面划分为若干个子区，在子区内用有限元法求解横向和高向速度，由最小能耗原理求解待定参数P，然后得到最终解。RAL三、理论解析方法及有限元法简介（8）有限元法：有限元法首先在结构分析中得到应用，由于此时应力--应变是线性关系，求解过程最终转化为线性矩阵。而在塑性加工领域中，由于边界条件的复杂化，加工表面几何形状复杂且不断变化，理论上难以确定。因为是大变形，表现为几何上的非线性，应力--应变关系为非线性(双非线性)。到上世纪八十年代后期，非线性有限元法的研究分为三大类：a)弹塑性有限元：对于非线性，用应力-应变增量方程，将其归结为一系列线弹性问题求解，符合广义虎克定律。b)刚塑性有限元：忽略弹性变形，把计算步距拉大，用小变形方法处理大变形，使计算机时缩短。c)粘塑性有限元：主要由于超塑性材料。RAL三、理论解析方法及有限元法简介有限元法的基本原理是将求解未知场变量的连续介质划分为有限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函数表示场变量，插值函数由节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集成整体场变量方程组，然后进行数值计算。RAL三、理论解析方法及有限元法简介有限元的计算步骤如下：a)连续介质的离散化。把求解的连续体划分成很多单元，单元为三角形、四边形等不同的几何形状。利用这些单元求解场变量。b)选择插值函数。划分单元后，选择单元的插值函数形式，插值函数表示每个单元内场变量的变化，通常选择多项式形式，易于积分和微分。c)进行单元分析，建立单元基本方程。根据所选插值函数建立单元模型和矩阵方程，方程的建立可选用直接法、变分法或加权剩余法。d)集成系统方程组。根据单元之间的相互关系，将单元方程有序地集成整体系统的方程组，并表示成矩阵形式。e)求解系统方程组。联立求解方程组，求出场变量位置点值。f)进行参量计算。根据问题的需要，计算各重要的参数。

RAL三、理论解析方法及有限元法简介

有限元法在塑性加工领域的应用中，有以下问题应当很好地加以解决：1)数学模型的建立：根据塑性加工工步的具体情况，将分析的问题转化为一个数学模型，应尽量符合实际情况，以提高模拟的精度。同时注意边界条件，加载方式，控制参数的选择等。2)有限元法计算时间较长，尤其是弹塑性有限元法，要进行逐次迭代求解，而刚塑性有限元法相对计算时间较少。3)对初学者来说，尤其是自己编制有限元程序，时间较长，调试程序也较困难，往往只能解决某一方面或一局部问题，“一百人年”。因此国外大公司组织人才进行商业性大型软件开发，已达到较为完善的程度。我国也在这方面进行了研究和开发，但有待于进一步的完善。RAL四、有限元法在应用过程中应注意的问题计算机应用能力外语能力：软件使用专业知识：建立模型和分析问题RAL对同学们的能力要求1，软件的发展概况ANSYS有限公司是由JohnSwanson博士创建于1970年，开发利用计算机技术进行工程分析的软件，ANSYS有限元程序是其主要产品。开发初期是用于电力工业，现已满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域的需要。其功能已为世界公认。目前已有13000多商业用户，40000多大学用户。该软件第一版仅提供热分析和线性结构分析，只能在大型上运行。从70年代早期，在程序中加入了非线性、子结构及更多种类单元，考察了小型计算机及矢量图形终端，将计算机辅助工程引入到ANSYS软件。在70年代后期，加入了交互式操作系统，简化了模型的生成与结果评价(前处理和后处理)，在分析之前用交互方式验证模型的材料及边界条件，并用交互方式检查分析结果。RAL五、ANSYS有限元软件CAE进程至今，在X窗口环境下，基于Motif的图形用户界面(GUI)，给出直观的途径，提供了完整的联机帮助及高级结构非线性、电磁场、计算流体动力学、设计优化、一般接触面、自适应网格划分、大应变/有限转动和参数化建模等。基于Motif的菜单系统对话框、下拉式菜单和提示数据输入和选择功能。实体建模包括基于NURBS的几何表示法、几何体系和布尔运算。ANSYS能在所有计算机平台和操作系统上运行，包括巨型机、工作站、小型机和个人计算机，还支持多窗口环境下图形显示选项。ANSYS可应用到CAD系统生成的模型上，通过IGES作为几何模型转换工具，实现CAD接口，如Pro/FEA、ANSYS/AUTOFEA、ANSYS/UGFEA、ANSYS/CVFEA等，从软件结构上，ANSYS包括如下几个方面：RAL1、软件的发展概况1）用户界面采用基于OSF/Motif标准的X窗口系统，输入采用鼠标、键盘或一起使用。提供了通用指令方法：菜单、对话框、工具杆、直接命令输入。菜单由运行ANSYS程序对相关的命令和操作功能组成，可使用户迅速访问，ANSYS共有六个菜单窗口：(1)实用菜单：包括ANSYS的实用功能，可在任意时刻切换到此菜单，为下拉式结构，直接完成某一功能，并可完成多次动作。(2)主菜单：包括ANSYS的主要命令。为弹出式边菜单结构，其组成基于用户使用ANSYS完成分析过程的顺序，并且只能用于各自的处理器(MainMenu)。RAL1，软件的发展概况RAL1，软件的发展概况(3)菜单输入：供用户输入ANSYS命令。同时显示程序提示信息及浏览先前输入的命令。可从log文件及其它文件中连接命令(ANSYSInput)。(4)图形窗口：供显示模型、分析结构等图形。可调整图形窗口的大小(Graphics)。(5)输出窗口：用于显示ANSYS程序的响应信息，在新界面下，始终可以访问(OutputWindows)。(6)工具杆：用户将常用命令或编写的过程置于顶层菜单，访问时只需一次点击(ToolBar)。RAL1，软件的发展概况RALMenu-FileRALMenu-ListRALMenu-PlotRALMenu-PlotCtrlsRALMenu-PreferencesRALMenu-PreprocessRALMenu-SolutionRALMenu-GeneralPostprocRALMenu-TimeHist

PostprocRALMenu-Help对话框是用户选择完整操作或设定参数的窗口，如”Pan,Zoom,Rotate”。由于工具杆(Toolbar)可设置的范围宽，为提高效率，将常用命令或命令缩写放入其中，可以用菜单、对话框和工具杆选择和执行命令，更加容易、直观。如熟悉ANSYS命令，可直接用键盘输入。命令一经执行，就在logfile中列出。将命令流保存到一个文件中，就可用于批处理，并在输出窗口中访问。ANSYS用户手册(ANSYSUser’sManual)全部内容可联机查阅，通过在线帮助索引中选取文本框或词句搜索，可获得文字、图表等信息。RAL1，软件的发展概况2）处理器ANSYS程序有一个前处理器、一个求解器和两个后处理器，几个如设计优化处理器这样的辅助处理器。前处理器允许用户生成有限元模型，并规定在随后求解中所需的选择项。求解器用来施加载荷及边界条件，然后求解。后处理器用于检查求解结果，以评估模型及其它计算。3）数据库ANSYS使用单独的集中式数据库存储所有模型数据及求解结果。用前处理器将模型数据(实体模型、有限元模型几何结构、材料等)写入数据库中，利用求解器写入载荷和求解结果，利用后处理器写入处理结果数据。一旦数据写入数据库，该数据即为可用的。RAL1，软件的发展概况4）文件格式用于数据传输、存储程序等，包括数据库文件、单元矩阵文件、图形文件等，文件格式可为编码格式或二进制格式，缺省为二进制格式，允许在硬件系统内转换。5）图形交互式图形是ANSYS程序的重要部分。主要是前处理器及后处理结果检查中。包括：超级图形功能显示表面信息(10倍于普通图形速度)；模型上边界条件的显示；结果等值线显示；可控模型不连续界面处结果的平均；查询光标点处数据；变形图；同时显示壳顶、底面结果；钢筋混凝土单元开裂情况及压碎部位；

RAL1，软件的发展概况时间-结果曲线；通用显示控制（变焦、放大、旋转）；橡皮筋技术；多窗口；隐藏线、剖面及透视；阴影光源（Z—buffer）；边缘清晰显示；收缩显示；重叠显示；256色；三维体的梯度、等值面、粒子流踪迹、立体切片；动画支持；大多数图元的色彩说明（单元、线、面、体、边界条件等）；透明显示（针对单元实体模型）；优化分析灵敏度及变量曲线；复合材料的层和方向；背景色彩……。

RAL1，软件的发展概况2前处理用于定义求解所需数据，可选择坐标系和单元类型，定义实常数和材料特性，生成实体模型，划分网格，控制节点和单元及定义耦合和约束方程。运行统计模块能计算出预期波动，文件大小和内存需求。ANSYS中使用坐标系定义空间几何结构位置，定义自由度及材料特性方向，提供笛卡儿、柱、球、椭球、环坐标等。用户输入数据为数据库一部分，由表构成——坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表、载荷表等。通过表项编号引用。选择模型数据另一方法是将模型分组，以不同颜色显示组元。提供了实体建模和直接生成。RAL2，前处理①实体建模：ANSYS前处理把几何特性和边界条件定义与有限元网格生成分开进行。首先由用户描述实体模型的几何结构，然后对模型划分网格，以定节点、单元。有两种方法：自顶向下和自底向上。用光标以动态模式移动工作平面给体素定位及定向。且均能使用布尔运算建立复杂实体模型。ANSYS提供拖拉、拉伸、旋转、移动或拷贝实体模型图元功能。包括圆弧构造、切线构造、旋转面或体生成等。在实体建模中，所有线均用非均匀有理及样条（NURBS）表示。使得蒙皮（或者放样）的表面构造技术更容易。可快速建立变截面复杂形状模型，如船壳、轿车车体等。提供强有力的模型生成工具，如鼠标拾取、橡皮筋技术和工作平面。RAL2，前处理一旦模型生成完毕，ANSYS提供三种网格划分方法：映象网格划分、自由网格划分和自适应网格划分。映象网格划分时，选择合适的单元属性和网格控制、生成网格由四边形和六边形组成。自由划分时，ANSYS自动生成一组最合适的节点和单元。对2D，生成四边形和三角形混合元。对3D，用户可控制网格密度。自适应网格划分是程序通过一系列解法自动生成网格。可用预先些好的宏来处理，该方法可用于线性静力结构或热稳态分析，能同时响应多种载荷条件。ANSYS允许用户修改模型。对面-面接触问题，采用接触单元处理。某些接触能用耦合或约束方程建立模型。ANSYS实体建模模块和ANSYS参数设计语言（APDL）一起使用，适合优化设计；以物体尺寸指定为变量，当物体形状变化时，有限元模型同样变化。

RAL2，前处理②直接生成：借助于直接生成方法在前处理中，通过详细说明每个节点位置及单元大小、形状和连通性定义模型。允许用户拷贝、反射、按比例给定节点和单元。该方法适合于线模型及有规则几何结构的小模型。ANSYS允许用户在直接生成和实体建模间进行切换。RAL2，前处理3求解在求解阶段，用户先指定分析类型、分析选项、载荷数据、载荷步，然后求解、分析类型包括：结构、热、电磁场、电场、静电、流体、CFD和耦合场分析。各种类型又包括几种特定的分析类型。并指定分析选项。载荷数据和约束构成模型边界条件。载荷数据包括：自由度约束、点载荷、面、体及惯性载荷。特定载荷随分析类型而变化。载荷步的设置可逐渐从前一载荷步的变化而来或跳到新值。后一种在瞬间分析中模拟冲击载荷。载荷步选项设置：输出控制、收敛性及通用载荷控制。指定的约束限制了所有选择节点上可应用的自由度。可允许用户改变材料特性和实常数，重新激活单元。指定主自由度及定义间隙条件。然后自动求解，优化求解方程。求解过程是：分析系统数学模型离散区域（单元）有限节点连接。主要未知数是模型中每个节点的自由度。包括位移、转角、温度、压力、速度。电压或磁势，通过附在节点上的单元来定义。相应建立刚度、质量或阻尼矩阵，然后组装，求解联立方程组。RAL3，求解求解器有两类：一类直接求解器，如波前求解器（默认），计算的是一系列方程组的精确解。而迭代求解器通过调整矩阵得到近似解。ANSYS提供两个迭代求解器：有条件共轭梯度（PCG）求解器和Jacob共轭梯度（JCG）求解器。一般说来，波前求解器对中小规模问题很有效，而对规模大复杂问题应用迭代求解器。PCG求解器是唯一能解决约束方程和壳单元的迭代求解器。对大型问题，求解时间快几十倍，实现了系统级的并行处理。两个迭代求解器对势场系统和具有对称、稀疏、正定矩阵的大问题更有效。以上均为通用求解器，还有专用求解器，如对线性问题的快速线性求解器，对电磁场的谐响应分析用的快速迭代求解器和分快Lanzcos求解器。ANSYS程序每种分析类型都建立在一个控制方程上。RAL3，求解4分析类型1)结构静力分析：用来求解外加载荷引起的位移、应力和应变、力。适用于求解惯性及阻尼时间等相关作用对结构响应的影响不显著的问题。且同样能包括非线性如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面、非线性静力分析通常通过逐渐施加载荷来完成，以获得精确解。控制方程为：

——结构刚度矩阵；——位移向量；——载荷向量，包括集中力、热载荷、压力等。传统用h—方法，它提高求解精度通过加密网格实现，且验证求解精度需重新划分网格，重新计算。P方法则通过提高多项式阶次实现，且能控制求解精度，不需要划分网格。RAL4，分析类型RAL4，分析类型2)结构动力分析：用于求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。此时要考虑随时间变化的阻尼和惯性的影响，例如：变化力（旋转机械）、冲击力（爆炸）、随机力（地震）及其它瞬态力的作用。通用运动方程：

——质量矩阵；——阻尼矩阵；——刚度矩阵；

——节点加速度向量；——节点速度向量；

——位移向量；——载荷向量。ANSYS可求解的动力分析包括：瞬态动力、模态、谐波相应、响应谱及随机振动等。RAL4，分析类型3)结构屈曲分析：用于确定结构失稳的载荷，在稳定载荷下是否失稳。对于确定承载结构如桥梁、塔的稳定性极为重要、分析分为线性(特征值)屈曲和非线性屈曲。线性屈曲用来计算因压应力而导致结构抵抗横向载荷能力降低的强化效应。在某一载荷下，这种负的应力刚度超过线性结构刚度，造成结构屈曲。线性屈曲不考虑初始缺陷和非线性行为。更精确的确定屈曲载荷，应使用非线性屈曲分析。RAL4，分析类型4)结构非线性分析：结构非线性，导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。实际上，所有结构本质上均为非线性。ANSYS可求解静态和瞬态非线性问题。非线性静态分析将载荷分解成一系列递增的载荷步，且在每一载荷步内进行一系列线性逼近以达到平衡。每次线性逼近需对方程进行一次求解（即平衡迭代）。瞬态情况包括惯性影响的时间积分。在非线性分析中，结构刚阵和载荷向量依赖于求解，是未知的。为此ANSYS使用基于Newton—Raphon的迭代过程。用一系列线性近似值逐渐收敛于实际的非线性解。Newton—Raphon方程如下：RAL4，分析类型

——由第i－1次迭代的变形形状得到的切向刚度矩阵

——位移向量增量；，——当前位移向量；——外载荷向量；——第i－1次迭代位移的R—P存储载荷。每个子步载荷的划分和最大平衡迭代数均由用户控制。平衡迭代到收敛或最大迭代数为止。ANSYS具有载荷步自动划分功能，获得收敛解。用户仅需给定最终载荷及最小、最大步长、同时提供了其它收敛增强功能。如预测、二分、线性搜索和自适应下降等。ANSYS可考虑多种非线性影响，分为材料、几何和单元非线性。

RAL4，分析类型①材料非线性：当应力与应变不成比例时，存在材料非线性。ANSYS可用非线性应力—应变关系表征塑性、多线性、弹性、超弹性及应变与其它因素有关的粘塑性、蠕变、粘弹性等。非线性材料性质用Newton—Raphon方法解决。对塑性材料性质，必须考虑三个概念：屈服准则、流动法则和硬化定律。ANSYS可使用三个屈服准则之一，即Vonmises，修正的Vonmises和Drucker

proger。形式如下：

其中为应力张量分量标量形式的等效应力，为参考应力。对应变量与塑性相关与否，形式不同。RAL4，分析类型一旦发生屈服，流动法则确定塑性应变的方向和大小:其中—塑性应变增量；Q（塑性势）——确定应变方向的应力分量标量函数。硬化定律确定塑性变形时，材料表面屈服的变化。ANSYS有两种硬化表达形式：各向同性硬化和运动硬化。运动硬化指由于拉伸屈服强度增加，而使压缩屈服强度相应减少，即称作Bauschinger效应。三者确定组合可描述唯一的塑性行为。ANSYS可模拟：仅线性运动硬化，多线性运动硬化，双线性各向同性，多线性各向同性；各向异性、Drucker—Proger、Anard、用户定义的选择项等。RAL4，分析类型双线性和多线性运动硬化可描述金属材料，用于小变形区域，采用修正的Vov

mises准则和PrandH—Rouss流动法则。忽略Bauschinger效应。Drucker—Prager描述颗粒材料，如岩石、混凝土或泥土；Anarid描述充满时金属的行为（也可用于低温），仅用于粘塑性单元；超弹性表示近似不可压或橡胶等大变形行为；Blatz—ko函数适用于可压缩泡沫类—聚氨脂橡胶材料。此外，用户可自己建立模型，定义任何真实非线性材料性质，用FORTRAN子程序与ANSYS连接。粘弹性是与时间相关的弹性应力—应变关系。表征粘性流动材料和加热的玻璃，由Maxwell模型表示。可用VISCO88、VISCO89单元。RAL4，分析类型②几何非线性：当结构位移显著地改变刚度时，视为几何非线性。ANSYS可解决如下几类：大应变、大变形、应力硬化和旋转软化。大应变几何非线性解决的的局部变形。可作为结构变形出现，ANSYS大转动和一致切向刚度功能可用于梁和壳单元。大变形表示由于结构变形导致单元空间方向变化引起总结构刚度变化。对大应变和大变形，刚度受位移影响。应力硬化解决由应力引起的刚度增加，而旋转软化是针对由物体变形引起的刚度减少，如汽轮机叶片在平面的旋转。RAL4，分析类型③单元非线性：非线性单元是其本身具有非线性行为的单元。表现为由于状态变化而引起的刚度突变。ANSYS单元库中包括如下非线性单元：一般接触表面单元：允许表面间有显著的滑动和载荷传输。可指定摩擦，自动计算接触刚度（ConTAC48和ConTAC49）。界面单元：表示具有有限点对点接触或有显著滑动的点对地接触。可包括表面摩擦（ConTAC12，ConTAC52，ContAC26）。加筋实体单元：表示混凝土、岩石或最多三组不同方向场强的复合材料。单元实体可破坏、断裂、塑变等。而单元增强材料可包括塑变和蠕变（Solid65）非线性阻尼：一纵向或扭转的弹簧。（Combin14）。RAL4，分析类型非线性弹簧：具有守恒或不守恒响应变刚度弹簧。（Combin39）拉/压杆：表示索缆（仅拉）或间隙（仅压）的双线性弹簧。（LINK10）翘曲壳单元：薄膜壳单元，受压后折叠或翘曲。（SHELL41）控制单元：由质量、阻尼、滑动影响构成的单元，表示机械减震器，摩擦离合器，恒通器，减震阀，电开关等。（COMBIN37）RAL4，分析类型5)高度非线性：通过ANSYS与LS-DYNA集成，解决高度非线性结构问题，这种显式解法不用形成刚阵，适于解决接触大变形及材料非线性问题，能够模拟一些工业过程。应用范围：碰撞模拟——汽车、飞机、火车、船舶；金属成形——辊压、挤压，旋压、超塑、冲压、深冲；金属切割，鸟撞问题，喷气发动机浆叶外壳；容器设计——船舶容器，盒状结构及蜂窝状材料；汽车零件制造，电子元件，穿透问题，玻璃成形；塑料、压塑及吹塑成形；生物药学中的应用；点焊、铆接、栓接结构；消费品设计；地震；RAL4，分析类型材料模型：弹性——各向同性，正交各向异性，各向异性，破坏材料；弹塑性——各向同性弹塑性，破坏材料；塑性——Jonson-Cook，与应变相关塑性，超塑性、Hill各向异性合成橡胶——Mooney-Rivlin、Blatz-ko。泡沫模型——蜂窝状、各向同性、正交异性、失效、聚胺脂材料玻璃——线性粘弹性单元库：四边形薄壳单元，三角形壳单元，六面体厚壳单元，块单元，梁单元，及其它如两点架子、绳索、弹簧元、阻尼单元、质量单元、刚体单元等、每种单元中又有多种选择。RAL4，分析类型载荷和约束：集中力、压力、体力、重力和循环边界。接触：具有二十多种不同选择的约束和罚函数法：变形体之间的接触；变形体中的单面接触；变形体与刚体之间的接触；接触间的重定义：包括与刚体墙的接触；被约束于曲面；壳边约束于壳面上，折叠、侵蚀接触、边与边的接触；摩擦模型：静摩擦、动摩擦、粘性摩擦自适应性：可以自动网格划分，包括：自适应选项，误差标准，网格细分，子循环。LS－DYNA3D功能：汽车中气袋，安全袋；焊接模拟；热载(随温度变化材料特性)，流体与结构的相互作用——声学、流体动力学；地质学的模拟；流体；爆炸载荷；用户定义的材料与摩擦。RAL4，分析类型6)静力或动力运动学分析：它涉及运动而不考虑力或质量，可以描述刚性或柔性体。提供了二维弹性梁单元(BEAM3)，三维铰接单元(COMBIN7)，线性传动单元(LINK11)等。7)热分析：ANSYS可处理三类热传递：传导、对流（自由和强迫）、辐射，可用于稳态和瞬态，线性或非线性分析，其热传导控制方程为：其中——比热矩阵；——节点温度的时间导数；——节点温度向量；——有效热传导矩阵；——有效的节点热流向量。ANSYS程序可用于分析：稳态、瞬态、物态变化（相交）、热—结构耦合。RAL4，分析类型①稳态：分析结构内的均衡温度分布或确定稳态热流率，可施加的载荷包括对流表面，热流密度，热流率，热生成率和给定温度。分数可为线性或非线性。在线性稳态热传递分析中，不考虑热质量（比热）影响或与温度相关材料特性。即，为常数，则控制方程为：，它适用于热传导和线性对流热传递。在非线性稳态热传递分析中，时间相关影响（热质量）不予考虑。但材料特性（包括对流膜系数）可随温度变化，且伴随辐射影响。在热分析中，辐射可用三种方式定义：辐射连接单元表示两点间辐射，表面影响单元用于表面和点间辐射，辐射矩阵生成器用于多个表面接受和辐射热的问题。RAL4，分析类型非线性分析中的热传导矩阵可表示为温度函数，且必须利用迭代方式求解。在ANSYS中，是基于Nenton-Raphson方法，用一系列线性矩阵方程求解，以获得收敛的非线性解。非线性稳态方程：。对线性和非线性稳态分析，结果数据用节点温度和热流率表示。在后处理阶段用这些数据产生模型的温度等值（等温）线表示。RAL4，分析类型②瞬态分析用于确定结构中作为时间函数的温度分布，或预测结构中热传递率和热存储率。可是线性或非线性的。载荷同稳态分析情况。比热作为材料特性输入，用于考虑热存储影响。其控制方程必须对时间积分：。通过Crank-Nichalson/Enler积分方法完成。方程在瞬态的离散时间点上求解，时间步长由用户给定。程序也具有自动时间步长功能。求解后可输出任何时间点温度等值图及特定点的温度—时间曲线和其它数据。RAL4，分析类型③相变：解决热传递过程中材料的固化和溶解。用于许多领域，如连续金属成形过程或太阳能存储系统。相变时释放或吸收的能量（潜热）须在物态变化（相变）分析中考虑。ANSYS中通过把材料的热焓定义为温度的函数来实现。相变求解采用与瞬态热分析相同的方法。结果也可用于后处理。用等值线或动画显示温度的变化情况。RAL4，分析类型④热—结构耦合分析：用于确定温度分布对模型结构响应的影响。温度载荷可单独施加，或用其它机械载荷一起施加。ANSYS中有两种连接热传递和结构分析的方法：第一种是先后进行两种分析，先使用热分析求解给定热传递边界条件下模型内温度分布，然后将温度解作为载荷，通过前处理和求解阶段，施加到结构分析的同一模型上。第二种是热—结构联立求解。利用具有温度和位移自由度的耦合场单元（PlanE13，Solid5和Solid98）求解。用户使用这些单元构造模型，指定热和结构边界条件，迭代计算热解和结构解，热—结构联立求解。另一途径是用Contac48和Contac49单元，它们允许热传递通过接触表面。当表面上接触时，开始传递热量。这种联立求解，使耦合复杂的热传递和热结构问题成为可能。如用于分析高频或低频加热时，经历热—结构变形耦合的双金属条。由于两种材料不同的膨胀率，可能产生几何变形。RAL4，分析类型8)其它场分析：①电磁场分析：用于分析高频或低频电磁场不同方面问题，如电感、磁通密度、磁力线、力、能量损失和其它现象。可分析螺线管、调节器、马达、永磁设备、变压器等设备和部件。可进行静磁场和随时间变化的磁场分析。②电场分析：研究电场中电流传导和静电分析。包括电流密度、电场强度、电压分布、电通量密度、传导的焦耳热、电容等。可用于电流热传导和静电分析（确定由电荷分布或电势降造成的电场和电标量势分布）。③流体流动分析：研究给定系统内液体或气体的流量、压力、温度分布。类型可为稳态和瞬态，ANSYS能进行计算流体动力学CFD，管流和声学分析，包括序贯耦合分析或标准管流分析）。RAL4，分析类型④耦合场分析：适用于热—结构、磁—热、磁—结构、流体流动—热、流体—结构、热—电、电磁及压电耦合、即可用直接耦合法，也可用间接耦合法建立模型。⑤用于分析三维结构对AC、DC及任何随时间变化的电势机械载荷的响应，如振流器、振荡器、谐振器、麦克风等。⑥ANSYS通过把部分单元等效为一个等效单元，改善求解运算时间或提高建模效率。即通过矩阵凝聚，生成超单元。⑦允许把模型中某一局部与结构其余部分分开，重新划分网格，进行更详细分析。以获得特定区域的更精确解。RAL4，分析类型9)材料特性：可定义不随温度变化的各向同性材料和各向异性材料及随温度的变化的材料。ANSYS建立了钢、铝、铜等10余种材料库，只要选定型号即可。随温度变化的材料特性定义有两种：一种是定义温度与特性关系表，通过表的插值求当前单元温度特性值。另一种是定义温度的四阶多项式函数，ANSYS将特性曲线换成温度—特性表。温度特性表存储在ANSYS函数数据库中，可对之进行修改、显示、处理。各种类型的线性材料特性如下：RAL4，分析类型对结构分析：弹性（杨氏）模量、热膨胀系数、参考温度、泊松比、质量密度、摩擦系数、剪切模量、材料阻尼。对热分析：比热、热焓、导热系数、对流系数、热辐射系数.对流体分析：粘度、导热系数、密度、比热。对电场分析：电阻率、介电常数。对电磁分析：材料B—H曲线，永久磁B—H曲线、相对导磁率、永久磁矫顽力。对压电分析：压电矩阵、弹性刚度矩阵、绝缘矩阵。RAL5，单元库5单元库ANSYS单元库中有100多种单元类型，单元分为二维或三维，并可具有点、线、面或体的形式。可选用线性或二次（带边中节点）单元，以提高单元网格精度，如需要，可删掉单元边上的中间节点。大多数单元允许恰当的单元载荷，如压力、温度、对流等，求解时计入相应的载荷向量。大多数也可计入惯性载荷（重力）。所有单元均可允许节点载荷（力、温度、位移），还可连入面效应单元（SURF19、SURF22）施加。大多数单元允许使用死活选择，即在求解时激活或不激活单元对总刚阵的贡献。许多结构和热单元有误差估算能力。RAL5，单元库①表中单元分为几组：结构单元——用于静力和动力分析；(Structural)热单元——稳态或瞬态热传递分析；(Thermal)流体单元——用于流体流动，计算流体动力学、声学及容器内流体的分析；(Fluid)磁单元-用于静力、谐波及瞬态磁分析；(Electromagenets)耦合场分析——一种或多种耦合效应分析；(Coupled)通用单元——用于几种分析类型；(General)无限单元——模拟场和无限介质。(Infinite)RAL5，单元库②给出简短单元描述：标题；名字、含有前缀和唯一的编号；典型的节点数；可应用的建模空间（2D或3D）；每个节点自由度（DOF）；能力描述；性能表（包括单元几何、材料及单元非线性、单元死活选项、误差估算能力）；RAL5，单元库③单元特性编写：LD：大变形；LS：大应变；S：应力钢化；P：塑性；C：蠕变；SW：膨胀；N：非线性单元；B：生和死；E：误差评估；A：自适应离散；U：非对称矩阵：④其它符号：UX、UY、UZ：平动位移DOF；ROTX、ROTY、ROTZ：旋转位移DOF；TEMP：温度DOF；PRES：压力DOF；

VOLT：电压DOF；AX、AY、AZ：矢量磁势DOF；MAG：标量磁势DOF；VX、VY：速度DOF；Axisym：轴对称；单元实例：

3-D8NodeSolidSolid458Node3-DDOF:UX,UY,UZGeneralapplicationto3DsolidmodelsFeatures:LD,LS,S,P,C,SW,B,ARAL5，单元库RAL6，后处理6后处理用户可在后处理中显示求解阶段的计算结果并对其进行运算。包括位移、温度、应力、速度、及热流。输出形式有图形显示和数据列表两种。采用交互式处理，图形可输出到显示设备或绘图仪上。由于每步结果作为数据集存在结果文件中，数据库最终结果可直接后处理。每个数据集可用的数据量和类型由完成的分析类型和求解选项来控制。后处理访问数据集有两种：一是用通用后处理器POST1检查整个模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；二是用时间历程后处理器POST26跨数据集检查选出的部分模型数据。采用交互方式，方便对数据库操作。RAL6，后处理1)ANSYS通用后处理器（POST1）在通用后处理器中，数据集中的数据可以选择分类，算术运算，同另一子步数据集组合，列表或图形显示。从结果文件把数据集读入后处理数据库有几种选择项。可通过载荷步、子步编号、时间或频率来识别。可以用鼠标或其它设备在图形上拾取节点或单元进行操作。列表器给分析报告和结果提供了方便。可按应力、位移、压力等对结果重新排序，并可打印表头等，用户可方便的加以控制。RAL6，后处理