ANSYS结构非线性分析指南 器和PCG求解器。对于实体单元(如SOLD92或 SOLID45),使用PCG求解器可能更快,尤其是在三 维模型中。 如果用户采用PCG求解器,可以考虑用 MSAVE命令降低内存应用。 MSAVE命令对于线性材料特 性的 SOL ID92单元,触发单元方法。为了应用这一命令,必须是小应变( NLGEOM,OF)静力或完全瞬 态分析。模型中不符合上述条件的其他部分,应用总体集成刚度矩阵来求解。对于符合上述条件的 模型部分,用 MSAVE,ON可能可节省70%的內存,但求解时间可能增加,这与计算机的配置和CPL 速度有关 与 ANSYS中的迭代求解器不同,稀疏矩阵求解器是一个强大的求解器。虽然PCG求解器能够求 解不定矩阵方程,但在它碰到一个病态矩阵时,如果不能收敛,求解器将迭代至指定的迭代次数后 停止迭代。在发生这种问题时,它触发二分。在完成二分后,如果矩阵是良态的,求解器继续求解。 最后整个非线性荷载步可以得到求解。 在结构非线性分析中,选择稀疏矩阵求解器,还是选择PCG求解器,可参照下面的建议: 1、如果是梁、壳或者梁、壳、实体结构,选择稀疏矩阵求解器 2、如果是三维结构,而且自由度数相对较大(200000个自由度或以上),选择PCG求解器; 3、如果问题是病态(由不良单元形状引起),或在模型的不同区域材料特性相差巨大,或者位移 边界条件不足,选择稀疏矩阵求解器。 2.2.2.8求解控制对话框一设置其他高级荷载步选项 2.2.2.8.1自动时间步 ANSYS的自动求解控制打开自动时间步长[ AUTOTS,ON。这一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(子步)长 在一个时间步的求解完成后,下一个时间步长的大小基于四种因素预计: 在最近过去的时间步中使用的平衡迭代的数目(更多次的迭代成为时间步长减小的原因) 对非线性单元状态改变预测(当状态改变临近时减小时间步长) 塑性应变增加的大小 蠕变增加的大小。 2.2.2.8.2收敛准则 程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则[ CNVTOL](或者直到达到允许的平衡迭代的最大次 数( NEQIT)。如果缺省的收敛准则不满意,可以自己定义收敛准则 ANSYS的自动求解控制应用等于0.5%的力(或力矩)的L2-范数容限( TOLER),这对于大部分情况 合适。在大多数情况下,除了进行力范数的检査外,还进行 TOLER等于5%的位移L2-范数的检査。 缺省时,程序将通过比较不平衡力的平方和的平方根(SRSS)与VALU× TOLER的值来检查力(在 包括转动自由度时,还有力矩)的收敛。ⅧMLEE的缺省值是所加载荷(或在施加位移时, Newton- Raphson回复力)的SRSS,或 MINREF(其缺省为0.001),取较大者。如果 SOLCONTROL,OFF 则对于力的收敛,TE的缺省值是0.001,而 MINREF的缺省为1.0 用户应当几乎总是使用力收敛检査。可以添加位移(或者转动)收敛检査。对于位移,程序将收 敛检查建立在当前(i)和前面(i-1)次迭代之间的位移改变(△M)上,△=1-l1-1 注意一如果用户明确地定义了任何收敛准则[ CNVTOL],缺省准则将失效。因此,如果用户定义 了位移收敛检査,用户将不得不再定义力收敛检查(使用多个 CNVTOL命令来定义多个收敛准则)。 使用严格的收敛准则将提高用户的结果的精度,但以更多次的平衡迭代为代价。如果用户想紧 缩(或放松一但不推荐)收敛准则,用户应当改变 TOLER一到两个数量级。一般地,用户应当继续使 用 VALUE的缺省值;也就是,通过调整 TOLER,而不是 VALUE,来改变收敛准则。用户应当确保
ANSYS结构非线性分析指南 MINREF=0.001的缺省值在用户的分析范围内有意义。如果应用某一单位系统,使荷载变得十分小, 可能需要指定较小的 MINREF值。 在非线性分析中,不推荐把两个或多个不相连的结构放在一起分析,因为收敛检查试图把这些 彼此不相连的结构联系起来,通常会产生不希望的残余力。 在单一和多自由度系统中检查收敛 要在单自由度系统中检查收敛,用户对这一个自由度计算出不平衡力,然后将这个值与给定的 收敛准则(VALE× TOLER)比较(同样也可以对单自由度的位移或旋转收敛进行类似的检查)。然而, 在多自由度系统中,用户也许想使用不同的比较方法。 ANSYS程序提供三种不同的矢量范数用于收敛检查: 无穷范数在用户模型中的每一个自由度处重复单一自由度检查; Ll范数将收敛准则同所有自由度的不平衡力(或力矩)的绝对值的总和相比较 L2范数使用所有自由度不平衡力(或力矩)的SRSS进行收敛检查。当然,对于位移收敛检 查,可以执行附加的L1、L2检查 实例 对于下面例子,如果不平衡力(在每一个自由度处单独检查)小于或等于5000×0.0005(也就是 2.5),且如果位移的改变(以SRSS检查)小于或等于10×0.001(也就是0.01),子步将认为是收敛的。 CNVTOL,F,5000,0.0005,0 CNVTOL U+ 10 01, 222.8.3平衡选代的最大次数 AsYS的自动求解控制把NQIT的值,根据问题的物理特性,设置为15到26次平衡迭代。应 用小时间步,可减少二次收敛迭代次数 这个选项限制了一个子步中进行的最大平衡迭代次数(如关闭求解控制,缺省=25)。如果在这个 平衡迭代次数之内不能满足收敛准则,且如果自动步长是打开的[ AUTOTS],分析将尝试使用二分法。 如果二分法是不可能的,那么,分析将或者终止,或者进行下一个载荷步,依据用户在NCN命令中 发出的指示。 2228.4预测一修正选项 如不存在梁或壳单元, ANSYS的自动求解控制设置PRED,ON。如果当前子步的步长大大减小 PRED将关闭。对于瞬态分析,将关闭预测选项。 对于每一个子步的第一次平衡迭代,用户可以激活自由度求解的预测。这个特点将加速收敛, 且如果非线性响应是相对平滑的,它特别的有用。在包含大转动或粘弹的分析中它并不是非常有用 在大转动分析中,预测可能引起发散,因而不推荐使用 2.2.2.8.5线性搜索选项 ASYS的自动求解控制,将根据需要关闭或打开线性搜索。对大多数接触问题, LNSRCH打开 对大多数非接触问题, LNSRCH关闭 这个收敛增强工具用程序计算出的比例因子(具有0和1之间的值)乘以计算出的位移增量。因 为线性搜索算法是用来对自适应下降选项[NROP们]进行的替代,如果线性搜索选项是开,自适应下降 不被自动激活。不建议用户同时激活线性搜索和自适应下降。 当存在强制位移时,只有至少有一次迭代的线性搜索值为1,计算才可以收敛。 ANSYS调节整个 ΔU矢量,包括强制位移值,否则,除了强制自由度处以外,一个小的位移值将随处发生。直到迭 代中的某一次具有1的线性搜索值, ANSYS才施加全部位移值 2.2.2.8.6步长缩减准则
ANSYS结构非线性分析指南 为了更好地控制时间步长上的二分和缩减,应用[ CUTCONTROL, Lab valUE, Option]。缺省时, 对于Lab= PLSLIMIT(最大塑性应变增量极限), VALUE设置为15%。设这么大的值,是为避免由高塑 性应变引起的不必要的二分,因为高塑性应变可能是由用户并不感兴趣的局部奇异引起。对于显式 蠕变( (Option=0),Lab= CRPLIM(蠕变增量极限), VALUE设置为10%。这对蠕变分析是一个合理的极限。 对于隐式蠕变( Option=1),缺省为无最大蠕变准则。但是用户可以指定蠕变率控制。对于一阶动力方 程,每个周期的点数(Lab=NP0INT),缺省为 VALUE=13,这样可以很小的代价获得有效精度 2.2.3设置附加求解选项 本节论述的选项,不出现在求解对话框中。这些选项的缺省值,一般很少需要改变。 2231求解控制对话框不能设置的高级分析选项 2.2.3.1.1应力刚化效应 为了考虑屈曲、分又行为, ANSYS在所有几何非线性分析中,包括了应力刚化。如果用户有信 心放弃这种效应,则可以关闭应力刚化效应( SSTIF,OFF)。在一些单元中,这个命令无作用,见《 ANSYS Elements Reference》。 命令: SSTIF rUI: Main Menu>Solution >Unabridged Menu)Analysis Options 2.2.3.1.2牛顿一拉普森选项 在存在非线性时, ANSYS的自动求解控制将应用自适应下降关闭的完全牛顿一拉普森选项。但 在应用点-点,点-面接触单元的摩擦接触分析中,自适应下降功能是自动打开的(如 CONTAC12 CONTAC48、 CONTAC49、 CONTAC52单元)。下伏接触单元需要自适应下降才能收敛。 命令: NROPT I: Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options 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久修改一次正切矩阵。如果 用户不想采用缺省值,可以指定这些值中的一个: ·程序选择( NROPT,ANTO):程序基于用户模型中存在的非线性种类选用这些选项中的一个 需要时牛顿一拉普森方法将自动激活自适应下降 ·完全牛顿一拉普森法(NR0PT,FUL):程序使用完全的牛顿一拉普森方法。在这种处理方法 中,每进行一次平衡迭代,就修改刚度矩阵一次 如果自适应下降是打开(可选),只要迭代保持稳定(也就是只要残余项减小,且没有负主对 角线出现)’程序将仅使用正切刚度阵。如果在一次迭代中探测到发散倾向,程序抛弃发散 的迭代且重新开始求解,应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。当迭代回到收敛模式时 程序将重新开始使用正切刚度矩阵。对复杂的非线性问题自适应下降通常将提高程序获得 收敛的能力,但它只支持《 ANSYS Element Reference》中由单元输入汇总表中的“ Special Features”指明的单元(见《 ANSYS Element Reference》表4.n.1,其中n为单元编号)。 修正的牛顿一拉普森法( NROPT,MODI):使用修正的牛顿一拉普森方法。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。自适应下降不可用 ·初始刚度牛顿一拉普森法(NR0PT,INIT):在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵。这一 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。它不适用于大 变形分析。自适应下降不可用 不对称矩阵完全牛顿一拉普森方法( NROPT, UNS YM):应用完全牛顿一拉普森方法,刚度矩 阵在每一次平衡迭代中都修正。此外,它生成并使用在下面任何一种情况中可以应用的不
ANSYS结构非线性分析指南 对称矩阵 如用户在运行压力产生的破坏分析,不对称的压力荷载刚度可能有助于取得收敛。可 应用S0 LCONTROL,INCP命令来包括荷载刚度。 如果应用TB,USER命令定义不对称材料模型,则需要用 NROPT, UNS YM命令来充分应 用所定义的特性 如进行接触分析,不对称接触刚度矩阵可以完全地耦合滑动和法向刚度。见§5.4。 用户应首先试验NOPT,FUL命令;然后如果收敛困难的话,再试验 NROPT,UNYM命令。 注意,应用不对称求解器需要比对称求解器更多的计算机时间 ·如果模型有多态单元,则将在状态改变时进行叠代修正,而不管牛顿一拉普森选项设置如 2.2.3.2求解控制对话框不能设置的高级荷载步选项 2.23.2.1蠕变准则 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[ CRPLIM,CRCR, Option](如果 自动时间步长[ AUTOTS]关闭,蠕变准则无效)。程序将对所有单元计算蠕应变增量(在最近时间步中 蠕变的变化ΔEn)对弹性应变E的比值。如果最大比值比判据CRC大,程序将减小下一个时间步长 如果小,程序或许增加下一个时间步长(同样,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。时间步长将被调整到对应这些项目中的任何一个所 计算出的最小值)。对于显式蠕变(OPTO0),如果比值△e/e高于0.25的稳定界限,且如果时 间增量不能被减小,解可能发散且分析将由于错误信息而终止。这个问题可以通过使最小时间步长 足够小来避免[ DELTIM和 NSUBST]。对于隐式蠕变( PTION=1),缺省无最大蠕变极限,但用户可以 指定任意的蠕变率控制。 命令: CRPLIM GUI: Main Menu>Solution Unabridged Menu>-Load Step Opts Nonlinear >Creep Criterion 注意如果在分析中不需要包括蠕变效应,则应用RATE命令及 Option=OFF,或把时间步设置 成比前一个时间步长些,但不大于1.0e-6 2.2.3.2.2时间步开放控制 这个选项可用于热分析(记住用户不能通过求解控制对话框来设置热分析选项,必须用 ANSYS标 准命令集或相应菜单来设置)。这个选项的主要应用是最终温度达到稳态的非稳态热分析。在这种情 况下,时间步可很快开放。其缺省值是,如果TEMP增量在三个连续子步中小于0.1( NUMSTEP=3) 则时间步大小可以为“开放”(缺省值=0.1)。然后时间步被连续增加以加快求解效率,。 命令: OPNCONTROL GUI: Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts- Nonlinear )Open Control 2.2.3.2.3求解监视 这个选项为监视指定节点上的指定自由度的求解值提供了方便。这个命令为用户快速观察求解 收敛效率提供了可能,而不必通过冗长的输出文件来取得这些信息。例如,在一个子步上尝试次数 过大,这个文件包含的信息将提供指示:要么降低初始时间步,要么增加最小的子步数,这可通过 NSUBST命令来避免二分次数过多 命令: MONITOR GUI: Main Menu>Solution >Unabridged Menu>-Load Step Opts-Nonlinear >Monitor
ANSYS结构非线性分析指南 2.23.24激活和杀死选项 根据需要指定“生”、“死”选项。对选定的单元,可以“杀死”[KKIL]和“激活”[ ALIVE] 以模拟在结构中移走或添加材料。作为标准的“生”、“死”方法以外的另一个方法,用户可以对所 选择的单元在荷载步之间改变材料特性[ MPCHG] 命令:EKIL EALIVE GUI: Main Menu Solution>-Load Step Opts-Other)Kill Elements Main Menu)Solution>-Load Step Opts-Other>Activate Elem 程序通过用一个非常小的数(它由 ESTIF命令设置)乘以它的刚度并从总质量矩阵消去它的质 量来“杀死”一个单元。对杀死单元的单元载荷(压力、热通量、热应变等等)同样地设置为零。用 户需要在前处理中定义所有可能的单元,用户不可能在 SOLUTIO0N中产生新的单元。 要在用户的分析的后面阶段中“激活”的那些单元,在第一个载荷步前应当被“杀死”,然后在 适当的载荷步的开始被重新“激活”。当单元被重新“激活”时,它们具有零应变状态,且(如果 NLGEOM,0N)它们的几何构形(长度、面积等等)被修改来与它们现在变形后的位置相适应。参见 《 ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》。 另一个在求解过程中影响单元行为的方法是修改选定单元的材料特性 命令: MPCHG GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Other>Change Mat Props>Change Mat Num 注意一应用[ MPCHG]是要注意。在求解期间改变它的材料性质参考号,可能产生不希望的结果 特别是如果用户改变材料非线性特性[TB]。 223.2.5输出控制选项 除了可以通过求解控制对话框可以设置的 OUTRES外,用户还可以设置其他输出选项 命令: OUTPR ERESX Main Menu>Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu printout Main Menu >Solution>Unabridged Menu>-Load Step Opts-Output Ctrls>Integration Pt 打印输出选项[ OUTPR]可在输出文件( Jobname.OUT)中包括所想要的任何结果数据。 结果外推[ ERESX]拷贝一个单元的积分点应力和弹性应变结果到结点来替代外推,如果在单元中 存在非线性(塑性、蠕变、膨胀)的话。积分点非线性应变总是被拷贝到结点。 参见《 ANSYS Basic Analysis guide》§2 2.2.4施加荷载 在这一步把荷载施加到模型中,参见《 ANSYS Basic Analysis guide》§2。记住惯性荷载和点 荷载将保持方向不变,但表面荷载在大变形分析中将跟随结构的变形而变化。用户可以定义一维数 据表( TABLE类型的数组参数来施加复杂边界条件。 22.5求解 1、把数据库保存为一个文件。 命令:SAVE GUI: Utility Menu>File>Save as 2-8