单元非线性与生死功能在ANSYS中的应用

在高效深磨加工中，砂轮一次磨削深度能够达到几毫米至几十毫米，磨削区与工件表面形成较大的夹角。为了更真实地反映深磨时的磨削温度状况，在有限元仿真中就需要体现出深磨时磨削区夹角和材料去除的特点。ANSYS中的单元生死功能就可以很好地解决这一问题。

在ANSYS中，单元的生死功能被称为单元非线性，是指一些单元在状态改变时表现出的刚度突变行为。单元的生死功能是通过修改单元刚度的方式实现的。单元被“杀死”时，它不是从刚度矩阵中删除了，而是它的刚度降为一个低值。被杀死的单元的刚度乘以一个极小的减缩系数（默认为10^-6）。为了防止矩阵奇异，该刚度不设置为0。与杀死的单元有关的单元载荷矢量（如压力、温度）是零输出。对于杀死的单元，质量、阻尼和应力刚度矩阵设置为0。单元一旦被杀死，单元应力和应变就被重置为0。因为杀死的单元没有被删除，所以刚度矩阵尺寸总是保持着。

与之相似的是，当单元“激活”的时候，也是通过修改刚度系数的方式实现的。所有的单元，包括开始被杀死的，在求解前必须存在，这是因为在分析过程中刚度矩阵的尺寸不能改变。所以，被激活的单元在建模时就必须建立，否则无法实现杀死与激活。当单元被重新激活时，它的刚度、质量与荷载等参数被返回到真实状态。当大变形效应打开时（NL-GEOM，ON），为了与当前的节点位置相适应，单元被激活后，其形状会被改变（拉长或压短）。当不使用大变形效应时，单元将在原始位置被激活。当单元“激活”后，它们没有任何应变历史记录，它们通过生和死操作被“退火”，生的时候所有应力和应变等于零。

（1）使用生死单元的注意事项

1）约束方程不能施加在死的自由度上。

2）程序默认的单元刚度系数不一定适用，可根据实际问题进行调整。

3）在非线性分析中，注意不要让单元的死活导致奇异点的出现，这样会导致不收敛。

4）打开自适应Newton-Raphson选择，通常会得到更好的结果。

5）可以通过计算结果来判断单元是否应该被杀死和激活，比如轴向力、应变等。

6）当有单元死活行为时，LSWRITE不能使用。

（2）生死单元中对于外加载荷应特别注意的事项

1）对于杀死的单元，单元载荷矢量（压力、温度）自动置零。

2）质量被置零，所以加速度载荷也不影响杀死的单元。

3）集中节点力不能自动从杀死单元的自由度中删除，用户必须手动删除杀死节点的集中载荷。类似地，当单元被重新激活时，这些节点载荷必须重新施加。

4）对于重新激活单元，所有单元和惯性载荷（压力、温度和加速度）被恢复，节点力如上所述，不受单元死活的影响。

5）重新激活的单元没有应变记录，但是，初应变以实常数形式输入的（如link1单元）不受单元生死选项的影响。

（3）生死单元中边界条件的提示

1）当被杀死单元重新激活时，若想保持单元的形状，则约束杀死单元的节点可能是重要的，重新激活单元时，务必删除这些人为的约束。(www.xing528.com)

2）不与任何单元连接的节点会“漂移”。有些情况下，可能想约束杀死的自由度，以减少要求解的方程数目或避免病态。

3）注意约束方程（CE or CEINTF）不能用于杀死的自由度。

（4）生死单元中求解选项的提示

1）LSWRITE和LSSOLVE命令不能用于死活选项，需要使用一系列明确的SOLVE命令来进行多载荷步求解。

2）自适应下降可以用于单元死活，且通常提供好的结果。

3）通过杀死然后重新激活单元可模拟应力释放操作（如退火）。

（5）生死单元中获得收敛的提示

1）非线性分析中，在杀死或重新激活单元时注意不要产生奇异点（例如结构分析中尖锐的内曲角）或大的刚度突变，这种情形很可能引起收敛困难。

2）杀死和重新激活单元引起系统刚度的突变（阶跃改变），因此，若这些改变太剧烈，则可能发生收敛困难。若出现收敛困难，则需要限制给定载荷步的杀死或激活的单元数。

（6）单元死活的备选方案

1）若需保持杀死单元的应变历史，可在求解器中通过改变材料属性来杀死单元。GUI：Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Other＞Change Mat Props。

2）然而，该选项不删除单元力、应变、质量、比热等，求解中草率地对材料属性进行改变会导致收敛问题。例如，若一个单元刚度降为0，但保留它的质量，则加速度载荷会导致奇异。

（7）生死单元用到的APDL命令

1）EKILL，ELEM：杀死单元，ELEM可以是ALL（所有已选单元）、P（点取）、单元组名。

2）EALIVE，ELEM：激活单元，ELEM可以是ALL（所有已选单元）、P（点取）、单元组名。

3）ESTIF，KMULT：设置单元刚度系数，默认为1.0e-6。