ANSYS非线性解读课件

非线性分析 －应变超过弹性极限（材料非线性） －大变形、大位移，如受载的钓鱼杆（几何非线性） －两个物体间的接触（边界非线性）屈服准则：vonMises屈服准则

，vonMises等效应力定义为:

材料非线性Hill准则

六个常数（Rxx,Ryy,Rzz,Rxy,Ryz,Rxz）表示Hill屈服准则的特性:213es2s3s3ys2y主应力空间单轴应力-应变在三维应力空间为一椭圆柱面。流动法则关联流动:塑性流动方向与屈服面的外法线方向相同。非关联流动:对摩擦材料，通常需要非关联流动法则

(在Drucker-Prager模型中，剪胀角与内摩擦角不同)。塑性流动方向与屈服面的法线相同屈服面pq塑性流动方向和屈服面法线不

同强化准则接触分析接触问题通常分为两类:刚性体-柔性体和柔性体-柔性体.刚性体-柔性体一个或更多的接触表面看作刚性体(一个表面与其它表面相比,刚度显然要大得多.).许多金属成形问题可归为此类.不计算刚性体内的应力柔性体-柔性体两个或所有的接触体都可变形(所有表面的刚度相近).螺栓结合凸缘连接就是柔性体-柔性体接触的例子.刚性体-柔性体接触刚性表面变形体柔性体-柔性体接触花键轴过盈配合,两个零件都是柔体.接触协调实际接触体相互不穿透.因此,程序必须在这两个面间建立一种关系,防止它们在有限元分析中相互穿过.当程序防止相互穿透时,称之为强制接触协调.F目标面接触面当没有强制接触协调时,发生穿透.

F接触协调–罚函数法强制接触协调的罚函数法,用一个接触“弹簧”在两个面间建立关系.弹簧刚度称为惩罚参数,接触刚度.当面分开时(开状态),弹簧不起作用；当面开始穿透时(闭合),弹簧起作用.弹簧偏移量满足平衡方程:F=k式中k是接触刚度.较大的刚度精度高,但收敛困难.必须确定一个适当的接触刚度值.“最好的”值经常是与问题相关的.FD接触协调–lagrange乘子法：增加一个附加自由度(接触压力),来满足不可穿透条件.F增广lagrange法：将罚函数法和lagrange乘子法结合起来强制接触协调.在迭代的开始,接触协调基于惩罚刚度确定.一旦达到平衡,检查穿透容差.此时,如果有必要,接触压力增加,迭代继续.F穿透容差面-面接触单元接触对由目标面和接触面组成.接触对通过共用实常数组来识别.Targe169和170刚性或可变形的目标面Conta171到174可变形的接触面这些单元非常适合面-面接触的情况,如过盈装配接触,啮合接触,锻造和深拉.接触面上的接触单元

(实常数=N)目标面上的目标单元

(实常数=N)对于“简单”接触模型,正常情况需要给出接触对的三个特征:接触刚度值.穿透容差值.还需要确定接触对中哪一个面应该是目标面,哪一个面应该是接触面程序通过对下层单元的刚度乘以该系数来确定接触刚度.k接触t=FKNxf(k下层)作为起始估计,尝试:对于接触中的大块实体,FKN=1.0.对于柔性较大(弯曲为主)的部件,FKN=0.1.穿透容差穿透容差也影响收敛和精度,尽管影响程度没有接触刚度大.当穿透容差严格时,精度可以改善,但是更难以收敛.

和刚度一样,以系数(FTOLN)的方式确定穿透容差.程序通过将下层单元的深度(h)乘以所给出的系数确定穿透容差.容差=FTOLNxh指定接触和目标面指定接触和目标面的其它准则:如果一个凸面与一个平面或凹面进入接触,平面和凹面应该是目标面.如果一个面比另一个面更硬,较硬的面应该是目标面.如果一个面是高阶,另一个面是低阶,低阶面应该是目标面.如果一个面比另外一个面更大,较大的面应该是目标面.当指定柔性体-柔性体接触的接触面和目标面时,如果一个面网格粗,另一个面网格细,粗网格面应该是目标面.导向节点:缺省时,程序自动约束刚性目标面.也就是说,自动地将目标的位移和转动设定为零.要模拟刚性目标的更复杂行为,可以创建一个特殊的单节点目标单元,称为导向节点.刚性目标面可以与“导向节点”联系起来,导向节点的运动控制目标面的运动.可以在导向节点上为整个目标面确定力,位移和/或转动.可以认为导向节点是整个刚性面的手柄.如果遇到收敛困难,一般是由如下三个原因中的一个或几个引起的:接触刚度值太大.穿透容差值太紧.最小时间步长太大.要改善收敛,试用按如下次序修改你的模型:减小FKN.增大FTOLN.减小最小时间步长(或增大最大子步数).载荷步，子步与平衡迭代非线性求解可按下列三个层次组织：载荷步(loadstep)载荷步是顶层，求解选项，载荷与边界条件都施加于某个载荷步内。子步(substep)子步是载荷步中的载荷增量。子步用于逐步施加载荷。平衡迭代步(EquilibriumIterations)

平衡迭代步是ANSYS为得到给定子步（载荷增量）的收敛解而采用的方法。增量法-欧拉（Eulerian）解法Fu载荷1234一个载荷增量中全Newton-Raphson迭代全Newton-Raphson在每一迭代步重新形成[KT]。修正只在每一子步形成[KT]。收敛判据缺省时，ANSYS将检查力和力矩不平衡量的L2范数是否等于加载力的L2范数的0.5%。双重检查收敛时，ANSYS将检查位移的L2范数。残差的L1范数 : ||{R}||1=S|Ri|残差的L2(SRSS)范数 : ||{R}||2=(SR2i)1/2残差的无限范数 : ||{R}||=max(|Ri|)如果明确重定义了收敛判据，缺省判据将被覆盖。如果重新定义了力的判据，将不得不增加位移检查。

记住应该总是定义力的收敛检查，因为它是平衡的度量。给定外部载荷（Fa），内部载荷（Fnr）（由单元应力产生并作用于节点），在一个体中，外部载荷必须与内力相平衡。Fa-Fnr=0收敛判据(续)力收敛判据提供了一个收敛的绝对度量，因为它可直接度量内部力与外部力间的平衡。基于检查的位移判据只应作为力收敛判据的辅助手段使用。只依据位移判断收敛在一些情况下将导致错误的结果。输出文件的信息在非线性求解过程中，输出窗口显示许多关于收敛的信息。输出窗口包括：力/力矩不平衡量{R}

FORCECONVERGENCEVALUE最大的自由度增量{u} MAXDOFINC力收敛判据

CRITERION载荷步与子步数

LOADSTEP1SUBSTEP14当前子步的迭代步数

EQUILITER4COMPLETED

累计迭代步数

CUMITER=27时间值与时间步大小

TIME=59.1250TIMEINC=5.00000自动时间步信息

AUTOSTEPTIME:NEXTTIMEINC=5.0000UNCHANGED输出文件的信息(续)***LOADSTEP1SUBSTEP14COMPLETED.CUMITER=27***TIME=54.1250TIMEINC=5.00000***MAXPLASTICSTRAINSTEP=0.1512CRITERION=0.2500***AUTOSTEPTIME:NEXTTIMEINC=5.0000UNCHANGEDFORCECONVERGENCEVALUE=349.2CRITERION=2.598DISPCONVERGENCEVALUE=0.1320CRITERION=0.9406<<<CONVERGEDEQUILITER1COMPLETED.NEWTRIANGMATRIX.MAXDOFINC=-0.1645E-01FORCECONVERGENCEVALUE=10.35CRITERION=2.095DISPCONVERGENCEVALUE=0.2409E-01CRITERION=0.9406<<<CONVERGEDEQUILITER2COMPLETED.NEWTRIANGMATRIX.MAXDOFINC=-0.1127E-01FORCECONVERGENCEVALUE=4.687CRITERION=2.113DISPCONVERGENCEVALUE=0.1024E-01CRITERION=0.9406<<<CONVERGEDEQUILITER3COMPLETED.NEWTRIANGMATRIX.MAXDOFINC=0.3165E-02FORCECONVERGENCEVALUE=2.179CRITERION=2.107DISPCONVERGENCEVALUE=0.5611E-02CRITERION=0.9406<<<CONVERGEDEQUILITER4COMPLETED.NEWTRIANGMATRIX.MAXDOFINC=-0.1385E-02FORCECONVERGENCEVALUE=0.9063CRITERION=2.108<<<CONVERGED>>>SOLUTIONCONVERGEDAFTEREQUILIBRIUMITERATION4***LOADSTEP1SUBSTEP15COMPLETED.CUMITER=31***TIME=59.1250TIMEINC=5.00000***MAXPLASTICSTRAINSTEP=0.2136CRITERION=0.2500***AUTOSTEPTIME:NEXTTIMEINC=5.0000UNCHANGED图示收敛信息在图形窗口显示的是图形化的收敛历史。显示了时间、迭代步数与不平衡量的信息。在求解过程中这一显示不断更新。非线性求解过程下面列出了完成非线性分析所需的典型步骤：1. 指定分析类型2. 指定几何非线性打开或关闭3. 为载荷步指定“时间”4. 设定子步数5. 施加载荷与边界条件6. 指定输出控制与监视值7. 保存数据库8. 求解载荷步A.分析类型定义分析类型是静态还是瞬态。注意在第一个载荷步后，就不能更改分析类型了。Solution>NewAnalysis...对于非线性分析只有两个选择：静态或瞬态。缺省设置是静态。B几何非线性打开大变形开关将在分析中包括几何非线性效应：大应变、大位移与大转动。缺省设置是关闭几何非线性。Solution>sol’ncontrols如果不能确定几何非线性是否重要，选大变形比较保险。C.载荷步时间Solution>Time/Freq>TimeandSubstps...时间如果没有指定“时间”，则缺省值为TIME+1.0。TIME为前一载荷步结束时的值。对于第一个载荷步，“时间”缺省值为1.0。对于静态、率无关分析，“时间”可指定为任何值。对比例加载，可将时间设定为载荷步结束时的载荷值。D.子步与时间Solution>Time/Freq>TimeandSubstps...时间自动时间步控制自动打开子步数最大值子步数最小值子步数时间与时间步长Solution>Time/Freq>Time-TimeStps...时间求解控制自动打开时间步长最小时间步长最大时间步长E.输出控制Solution>OutputCtrls>DB/ResultsFile.