结构非线性分析步骤优化指南

ANSYS结构非线性分析比结构线性分析更加复杂，但处理方式基本相同，只是在非线性分析的过程中添加了适当的、必需的非线性特性。下面从三个方面来介绍结构非线性分析过程：建模、加载和求解、后处理。

9.1.3.1 建模

非线性分析的建模过程与线性分析十分相似，只是在非线性分析中可能包括特殊的单元或非线性材料性质。如果模型中包含大应变效应，则应力-应变数据必须依据真实应力和真实应变表示。

9.1.3.2 加载和求解

与线性分析相同，在建立好有限元模型之后，将进入ANSYS求解器，并根据分析的问题指定新的分析类型。求解问题的非线性特性在ANSYS中是通过指定不同的分析选项和控制选项来定义的，下面简单介绍非线性分析中的求解选项。

1.求解控制

对于一些基本的非线性问题的分析类型，可通过ANSYS提供的求解控制对话框中的选项来指定。选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls”命令，弹出“Solution Controls”对话框，通过“Nonlinear”选项卡设置完成，如图9-3所示。

图9-3 “Nonlinear”选项卡

2.分析选项

根据分析问题的类型选定相应的分析类型并指定分析选项。对于非线性结构分析，指定分析类型的方向和其他有限元分析相同，这里主要讲解非线性分析的分析选项。

选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options”命令，弹出“Static or Steady-State Analysis”对话框，其中包括几个非线性选项，如图9-4所示。

图9-4 “Static or Steady-State Analysis”对话框

“Static or Steady-State Analysis”对话框相关选项如下。

Large deform effects：对于有大变形或大应变的问题，在分析时打开这个选项，程序在进行分析时将会考虑其对结果的影响，否则则关闭这个选项。并不是所有的非线性分析都将产生大变形。

Newton-Raphson option：仅在非线性分析中使用这个选项，它指定在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵。(www.xing528.com)

Program chosen：程序基于模型中存在的非线性种类选择用这些选项中的一个，在需要时牛顿-拉普森方法将根据需要自动激活自适应下降。

FULL N-R：程序使用完全的牛顿-拉普森处理方法，在这种方法中每进行一次平衡迭代修改刚度矩阵一次。

Modified N-R：程序使用修正的牛顿-拉普森方法。在这种方法中正切刚度矩阵在每一子步中都被修正，在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。这个选项不适用于大变形分析。

Initial stiffness：程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵这个选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛，不适用于大变形分析。

3.普通选项

在进行非线性分析时用到的一些选项在其他类型的有限元分析中同样用到，其主要是一些通用载荷步选项。通过选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time/Frequency＞Time-Time Step”命令，打开“Time and Time Step Options”对话框，如图9-5所示。

图9-5 “Time and Time Step Options”对话框

“Time and Time Step Options”对话框相关选项参数含义如下。

Time at end of load step：ANSYS软件借助在每一个载荷步末端给定的TIME参数识别出载荷步和载荷子步。

Time step size：非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步，从而ANSYS软件可以逐渐施加所给定的载荷，从而得到精确的解。NSUBST和DELTIM命令都获得同样的效果（给定载荷步的起始、最小及最大步长）。NSNBST定义在一个载荷步内将被使用的子步数目，而DELTIM明确定义时间步长。如果自动时间步长是关闭的，那么起始子步长用于整个载荷步。默认每个载荷步有一个子步。

Stepped or ramped b.c.：在与应变率无关的材料行为的非线性静态分析中，通常不需要指定这个选项。因为依据默认，载荷将为渐进式的阶跃式载荷。除了在与应变率相关材料行为情况下（蠕变或粘塑性），在静态分析中该参数通常没有意义。

Automatic time stepping：该选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步长。通过激活自动时间步长，可以让程序决定每一个载荷步内使用多少个时间步。

9.1.3.3 结果后处理

非线性静态分析的结果主要由位移、应力、应变以及反作用力组成，可采用通用后处理器和时间历程后处理器来处理显示结果。

通用后处理器一次仅能读取一个子步，可通过它来检查整个模型在指定时间步（或子步）下的计算结果；而时间历程后处理主要用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。无论是通用后处理还是时间历程后处理来检查计算结果，程序的数据库都必须包含求解时相同的计算模型，且结果文件Jobname.RST必须可用。