ANSYS非线形分析指 基本过程 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,如船舶结枃;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 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 静力分柝…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。 谱分柝-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 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 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
ANSYS非线形分析指南 基本过程 第1页 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
ANSYS非线形分析指 基本过程 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 3结构非线性静力分析 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1-1(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 (a)钉书针 t1 t2 t3 〔b)不架 (c)轮胎 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 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地响应。一个例的垂 第2页
ANSYS非线形分析指南 基本过程 第2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 1．3 结构非线性静力分析 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─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 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 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地响应。一个例的垂
ANSYS非线形分析指 基本过程 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 FTIP 图1-2钓鱼杆示范几何非线性 材料非线性 非线性的应力—应变关系是结构非线性名的常见原因。许多因素可以影响材料的应力 应变性质,包括加载历史(如在弹一塑性响应状况下),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选代 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増量。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1-3(a)所示所示。 calculatedresponse true response (a)纯粹增量式解 (b)全牛顿一拉普森迭代求解(2个载荷增量) 图8—3纯粹增量近似与牛顿一拉普森近似的关系 ANSYS程序通过使用牛顿一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1-3(b)描述了在单自由度非线性分析中 牛顿一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, 且核査收敛性。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 第3页
ANSYS非线形分析指南 基本过程 第3页 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 非线性的应力──应变关系是结构非线性名的常见原因。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─3（a）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─3（b)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
ANSYS非线形分析指 基本过程 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 F Converged solutions r1-ine reference arc-le Converged solutions r, r3-Subsequent arc-length radii 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 分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 oad Load step 2 Subsite O Load step O Substep Load step 1 10151.752.0 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 第4页
ANSYS非线形分析指南 基本过程 第4页 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 分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
ANSYS非线形分析指 基本过程 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査导致出错情况。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 用力收敛检查。 给定载荷 sma‖l△u 图1—6完全依赖位移收敛检査有时可能产生错误的结果 保守行为与非保守行为:过程依赖性 如果通过外载输入系统的总能量当载荷移去时复原,我们说这个系统是保守的。如果能 量被系统消耗(如由于塑性应变或滑动摩擦),我们说系统是非保守的,一个非守恒系统的 例子显示在图1-7 个保守系统的分析是与过程无关的:通常可以任何顺序和以任何数目的增量加载而 不影响最终结果。相反地,一个非保守系统的分析是过程相关的:必须紧紧跟随系统的实际 加载历史以获得精确的结果。如果对于给定的载荷范围,可以有多于一个的解是有效的(如 在突然转变分析中)这样的分析也可能是过程相关的。过程相关问题通常要求缓慢加载(也 就是,使用许多子步)到最终的载荷值。 第5页
ANSYS非线形分析指南 基本过程 第5页 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 用力收敛检查。 图 1─6 完全依赖位移收敛检查有时可能产生错误的结果。 保守行为与非保守行为：过程依赖性 如果通过外载输入系统的总能量当载荷移去时复原，我们说这个系统是保守的。如果能 量被系统消耗（如由于塑性应变或滑动摩擦），我们说系统是非保守的，一个非守恒系统的 例子显示在图 1─7。 一个保守系统的分析是与过程无关的：通常可以任何顺序和以任何数目的增量 加载而 不影响最终结果。相反地，一个非保守系统的分析是过程相关的；必须紧紧跟随系统的实际 加载历史，以获得精确的结果。如果对于给定的载荷范围，可以有多于一个的解是有效的（如 在突然转变分析中）这样的分析也可能是过程相关的。过程相关问题通常要求缓慢加载（也 就是，使用许多子步）到最终的载荷值