非线性分析步骤|ANSYS16.1结构分析实例解析

尽管非线性分析比线性分析更加复杂，但处理过程基本相同，只是在非线性分析的适当过程中，添加了需要的非线性特性。

非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。如同任何静态分析，处理流程主要由三个主要步骤组成：建模；加载与求解；查看结果。

1.建模

非线性分析的建模过程与线性分析十分相似，只是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，则必须采用真实应力和真实应变数据。

2.加载与求解

此步操作需要定义分析类型和分析选项，指定载荷步选项并开始有限元求解。但是非线性求解经常需要求解多个载荷增量，且总是需要平衡迭代，因此它不同于线性求解。具体处理过程如下：

（1）进入ANSYS求解器

Command：/SOLU

GUI：Main Menu︱Solution

（2）定义分析类型及分析选项

分析类型和分析选项在第一个载荷步之后不能被改变。表5-1是ANSYS提供的用于非线性静态分析的选项。

表5-1 分析类型和分析选项

●分析类型（ANTYPE）：选择Static（静态）。 

●大变形或大应变选项（NLGEOM）：并不是所有的非线性分析都产生大变形，若产生大变形，选择ON，若不产生大变形，选择OFF。 

●应力刚化效应（PSTRES）：如果存在应力刚化效应，则选择ON。 

程序默认值一般为OFF，但当NLGEOM和SOLCONTROL打开时，程序默认值为ON。 

注意：在ANSYS 16.1中，该命令已被PSTRES命令取代。 

●Prestres Effects Calculation（PSTRES）：通过此选项可以在同一模型上施加预应力分析，程序默认值为OFF。 

注意：应力刚化选项和预应力计算选项不能同时在分析中使用，如果在同一分析中同时使用了这两个选项，后者将覆盖前者。 

●牛顿-拉普森选项（NROPT）：仅在非线性分析中使用这个选项。这个选项指定在求解期间每隔多长时间修改一次正切矩阵。可以指定下列值中的一个。 

程序选择（NROPT，AUTO）：程序根据模型中存在的非线性种类自动选用这些选项中的一个。在需要时牛顿-拉普森方法将自动激活自适应下降。 

完全牛顿-拉普森选项（NROPT，FULL）：程序使用完全的牛顿-拉普森处理方法，在这种处理方法中每进行一次平衡迭代即修改刚度矩阵一次。如果自适应下降是关闭的，程序每一次平衡迭代都使用正切刚度矩阵。如果自适应下降是打开的（默认设置），只要迭代保持稳定，程序仅使用正切刚度矩阵。如果在某一次迭代过程中检测到发散倾向，程序将抛弃发散的迭代并重新开始求解，此时应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。当迭代重新回到收敛模式时，程序将重新开始使用正切刚度矩阵。对于复杂的非线性问题，自适应下降通常能提高程序获得收敛的能力。 

修正的牛顿-拉普森选项（NROPT，MODI）：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，而且无法使用自适应下降。 

初始刚度（NROPT，INIT）：程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵，该选项可以使迭代过程更容易收敛，但需要更多迭代次数来得到收敛。该选项不适用于大变形分析，且自适应下降不可用。 

（3）在模型上加载 

在大变形分析中，惯性力和点载荷将保持恒定的方向，但表面力将“跟随”结构的变化而改变。 

（4）指定载荷步选项 

下列选项适用于非线性静态分析。 

●普通选项 

Time（TIME） 

ANSYS程序借助在每一个载荷步末端给定的TIME参数识别出载荷步和子步。使用TIME命令可以用来定义受某些实际物理量限制的TIME值。程序通过这个选项来指定载荷步的末端时间。

提示：在没有指定TIME值时，程序将依据默认设置自动地对每一个载荷步按1.0 增加TIME（在第一个载荷步的末端以TIME=1.0开始）。

时间步的数目（NSUBST）和时间步长（DELTIM）

非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步或时间步，从而ANSYS可以逐渐施加所给定的载荷，逐步得到精确解。NSUBST和DELTIM命令具有同样的功效，即给定载荷步的起始、最小及最大步长。NSUBST 定义在一个载荷步内将被使用的子步的数目，而DELTIM明确地定义时间步长。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。默认时是每个载荷步具有一个子步。

渐进式或阶跃式加载（KBC）

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，因为依据惯例，载荷为阶跃式的载荷（KBC，1），而在与应变率相关的材料行为情况下（蠕变或粘塑性），需明确指出加载方式。

自动时间步长（AUTOTS）

这一选项允许程序自动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（子步）长。默认时是OFF状态。可以用AUTOTS命令打开自动时间步长和二分法。通过激活自动时间步长，可以使程序决定在每一个载荷步内使用多少个时间步。

●非线性选项

收敛准则（CNVTOL）

默认的收敛准则：依据惯例，程序将以VALUE×TOLER的值对力（或者力矩）进行收敛检查。VALUE的默认值是在所加载荷或所加位移中取值较大者。TOLER的默认值是0.001。

提示：如果明确地定义了任何收敛准则（CNVTOL），默认准则将“失效”。因此，如果定义了位移收敛准则，则需要再定义力收敛准则（使用多个CNVTOL命令来定义多个收敛准则）。

用户自定义收敛准则：ANSYS允许用户定义收敛准则，替代默认的值。使用严格的用户自定义收敛准则将提高求解结果的精度，但以更多次的平衡迭代为代价。要改变收敛准则，需要对TOLER进行两个数量级的改变。一般通过调整TOLER而不是VALUE来改变收敛准则。

在单一和多DOF系统中检查收敛：要在单自由度（DOF）系统中检查收敛，需要对单一DOF计算出不平衡力，然后对照给定的收敛准则（VALUE×TOLER）进行检测。

最大平衡迭代次数（NEQIT）

使用这个选项来对在每一个子步中进行的最大平衡迭代次数实行限制（默认为25）。如果在这个平衡迭代次数之内不能满足收敛准则，而且自动步长是打开的，程序将尝试使用二分法。如果无法使用二分法，程序将根据NCNV命令所发出的指示终止分析过程，或者进行下一个载荷步。

求解终止选项（NCNV） 

这个选项具有5种不同类型的终止准则：如果位移“太大”，它建立一个用于终止程序执行的准则；对累积迭代次数设置限制；对整个程序运行时间设置限制；对整个CPU时间设置限制；如果平衡迭代收敛，则控制程序是否终止执行。 

弧长法（ARCLEN） 

如果预料到结构在其加载过程中，在某些点会出现物理意义上的不稳定（结构的载荷-位移曲线的斜度为0或负值），则可以使用弧长法来稳定数值求解。 

提示：不应和弧长法一起使用下列选项：线搜索（LNSRCH）、时间步长预测（PRED）、自适应下降（NROPT，，，ON）、自动时间步长（AUTOTS，TIME，DELTIM）、时间-积分效应（TIMINT）。 

时间步长预测（PRED） 

对于每一个子步的第一次平衡迭代，可以激活和DOF求解有关的预测。其特点是加速收敛。如果非线性响应是相对平滑的，进行时间步长预测将非常有用。该选项不适用于包含大转动或粘弹效应的分析。 

线搜索选项（LNSRCH） 

该选项可替代自适应下降选项。如果线搜索选项是打开的，程序将自动关闭自适应下降选项。 

蠕变准则（CRPLIM，CRCR） 

如果结构表现出蠕变行为，可以指定蠕变准则用于自动时间步调整。此时程序将对所有单元计算蠕变应变增量对弹性应变的比值。如果最大比值比判据大，程序将减小下一个时间步长；如果小，程序将增加下一个时间步长（程序将把自动时间步长建立在平衡迭代次数、即将发生的单元状态改变以及塑性应变增量的基础上）。如果比值高于0.25的稳定界限，且时间增量不能被减小，求解过程可能由于发散而终止。该问题可以通过采用足够小的时间步长来避免。 

提示：如果自动时间步长（AUTOTS）是关闭的，蠕变准则将无效。 

激活和“杀死”选项（EKILL、EALIVE） (www.xing528.com)

在ANSYS/Mechanical和ANSYS/LS-DYNA产品中，可以采用“杀死”和激活单元来模拟材料的消去和添加。 

程序可以通过用一个非常小的数（它由ESTIF命令设置）乘以它的刚度，从而从总质量矩阵中消去它的质量来“杀死”一个单元。对于无活性单元的单元载荷（压力、热通量、热应变等），同样需要被设置为零。注意，要在前处理中定义所有可能的单元，不能在 SOLUTION中产生新的单元。 

在分析的后面阶段中“出生”的单元，在第一个载荷步前应当被“杀死”，然后在适当的载荷步开始前被重新激活，当单元被重新激活时，它们具有零应变状态，而且它们的几何（开头长度、面积等）形状将被修改以便与它们的现偏移位置相适应。 

●输出控制选项 

打印输出（OUTPR） 

使用该选项使输出文件（Jobname.out）包含想要的结果数据。

结果文件输出（OUTRES）

该选项用于控制结果文件中的数据（Jobname.rst）。

结果外推（ERESX）

该选项的功能是复制一个单元的积分点应力和弹性应变结果到节点而替代外推它们。如果在单元中存在非线性（塑性、蠕变、膨胀），积分点的非线性变化总是被复制到节点。

（5）存储文件

Command：SAVE

GUI：Utility Menu︱File︱Save As

（6）开始求解计算

Command：SOLVE

GUI：Main Menn︱Solution︱Solve︱Current LS

（7）退出求解器

Command：FINISH

GUI：Main Menu︱Finish

3.查看求解结果

非线性静态分析的结果主要包括：位移、应力、应变和反作用力。可以用POST1（通用后处理器）或POST26（时间历程后处理器）来考查这些结果。

提示：POST1后处理器主要用于考查所有节点在某一时刻的求解结果，而POST26后处理器主要用于考查某个节点在所有时间的求解结果。

（1）用POST1考查结果

●进入POST1

Command：POST1

GUI：Main Menu︱General Postproc

●读取载荷步结果

Command：SET

GUI：Main Menn︱General Postproc︱Read Results

●显示结果

显示变形形状

Command：PLDISP

GUI：Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Deformed Shapes

等值线显示

Command：PLNSOL、PLESOL

GUI：Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Contour Plot︱Nodal Solu GUI：Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Contour Plot︱Element Solu

使用以下命令绘制单元表数据和线单元数据的等值线：

Command：PLETAB、PLLS

GUI：Main Menu︱General Postproc︱Element Table︱Plot Element Table

GUI：Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Contour Plot︱Line Elem Res

列表显示

Command：PRNSOL、PRESOL、PRRSOL、PRETAB、PRITER、NSORT、ESORT

GUI：Main Menu︱General Postproc︱List Results︱Nodal Solution

GUI：Main Menu︱General Postproc︱List Results︱Element Solution

GUI：Main Menu︱General Postproc︱List Results︱Reaction Solution

可使用NSORT和ESORT命令对数据列表进行排序。

（2）用POST26考查结果

●进入POST26

Command：POST26

GUI：Main Menu︱Time Hist Postpro

●定义变量

Command：NSOL、ESOL、RFORCL

GUI：Main Menu︱Time Hist Postproc︱Define Variables

●图形或者列表显示变量

Command：PLVAR、PRVAR、EXTREM

GUI：Main Menu︱Time Hist Postprac︱Graph Variable S

GUI：Main Menu︱Time Hist Postproc︱List Variables

GUI：Main Menu︱Time Hist Postproc︱List Extremes