『分享』ANSYS结构分析基础知识

ANSYS结构分析概览:

1.结构分析的目的：用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.

2.结构分析的类型:

◎静力分析-用于静态载荷，可以考虑结构的线性及非线性行为，例如: 大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.

◎模态分析-计算线性结构的自振频率及振形

◎谱分析-是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 (也叫作响应谱或PSD).

◎谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.

◎瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.

◎特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状，(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)

◎专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析

◎显式动力学分析ANSYS/LS-DYNA：用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为.它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.

结构静力分析介绍：

1.静力分析定义：静力分析是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）。

2.静力分析的载荷：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

3.静力分析分类：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。

非线性分析基础知识：

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。

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。 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而变化。

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.

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）

◎几何非线性

◎材料非线性

状态变化（包括接触）

许多普通结构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。例如钓鱼杆，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。

材料非线性

非线性的应力－应变关系是结构非线性的常见原因。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）。

近似的非线性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。在增量之前，程序调整刚度矩阵来反映结构刚度的非线性变化。但遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免地产生每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡。

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。

非线性静力分析的加载求解介绍

1、进入ANSYS求解器

命令：/Solution

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后（也就是，在你发出你的第一个SOLVL命令之后）不能被改变。

ANSYS提供这些选项用于静态分析。

◎选项：新的分析〔ANTYPE〕

一般情况下会使用New Analysis(新的分析）。

◎选项：分析类型：静态〔ANTYPE〕

选择Static（静态）。

◎选项：大变形或大应变选项（GEOM）

并不是所有的非线性分析都将产生大变形。参看：“使用几何非线性”对大变型的进一步讨论。

◎选项：应力刚化效应〔SSTIF〕

如果存在应力刚化效应选择ON。

◎选项：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久修改一 次正切矩阵。你可以指定这些值中的一个。

· 程序选择（NROPT，ANTO）：程序基于你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－拉普森方法将自动激活自适应下降。

3、在模型上加载，记住在大变型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”结构而变化。

4、指定载荷步选项。这些选项可以在任何载荷步中改变。

下列选项对非线性静态分析是可用的：

◎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命令来定义受某些实际物理量（如先后时间，所施加的压力，等等。）限制的TIME值。程序通过这个选项来指定载荷步的末端时间。

注意──在没有指定TIME值时，程序将依据缺省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〕

·时间步长〔DELTIM〕

如何进行非线性静态分析（一）

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：

1、建模。

2、加载且得到解。

3、考察结果。

步骤1：建模

这一步对线性和非线性分析都是必需的，尽管非线性分析在这一步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，应力─应变数据必须依据真实应力和真实（或对数）应变表示。

步骤2：加载且得到解

在这一步中，你定义分析类型和选项，指定载荷步选项，开始有限无求解。既然非线性求解经常要求多个载荷增量，且总是需要平衡迭代，它不同于线性求解。处理过程如下：

1、进入ANSYS求解器

命令：/Solution

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后（也就是，在你发出你的第一个SOLVL命令之后）不能被改变。ANSYS提供这些选项用于静态分析。

表1─1 分析类型和分析选项

这些选项中的每一个都将在下面详细地解释。

选项：新的分析〔ANTYPE〕

一般情况下会使用New Analysis(新的分析）。

选项：分析类型：静态〔ANTYPE〕

选择Static（静态）。

选项：大变形或大应变选项（GEOM）

并不是所有的非线性分析都将产生大变形。参看：“使用几何非线性”对大变型的进一步讨论。

选项：应力刚化效应〔SSTIF〕

如果存在应力刚化效应选择ON。

选项：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久修改一 次正切矩阵。你可以指定这些值中的一个。

· 程序选择（NROPT，ANTO）：程序基于你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－拉普森方法将自动激活自适应下降。

·

全〔NROPT，FNLL〕；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。（我们一般不建议关闭自适应下降，但是你或许发现这样做可能更有效。）如果自适应下降是打开的（缺省），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。

· 修正的（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。自适应下降是不可用的 · 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。自适应下降是不可用的。

选项：方程求解器 J对于非线性分析，使用前面的求解器（缺省选项）。 3、在模型上加载，记住在大变型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”结构而变化。 4、指定载荷步选项。这些选项可以在任何载荷步中改变。下列选项对非线性静态分析是可用的：

普通选项

普通选项包括下列：

· 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命令来定义受某些实际物理量（如先后时间，所施加的压力，等等。）限制的TIME值。程序通过这个选项来指定载荷步的末端时间。

注意──在没有指定TIME值时，程序将依据缺省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〕

·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；这两个术语是等效的）从而ANSYS可以逐渐施加所给定的载荷，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。缺省时是每个载荷步有一个子步。

·渐进式或阶跃式的加载 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，因为依据缺省，载荷将为渐进式的阶跃式的载荷〔KBC，1〕除了在率─相关材料行为情状下（蠕变或粘塑性），在静态分析中通常没有意义。bt)`_\'.L

·自动时间分步〔AUTOTS〕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。缺省时是OFF（关闭）。你可以用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，可以让程序决定在每一个载荷步内使用多少个时间步。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）6)o9g3 8r

·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） d#YD"1K

·塑性应变增加的大小

·蠕变增加的大小

非线性选项

程序将连续进行平衡迭代直到满足收敛准则（或者直到达到允许的平衡迭代的 最大数〔NEQIT〕。我们可以用缺省的收敛准则，也可以自己定义收敛准则。

· 收敛准则〔CNVTOL〕

缺省的收敛准则

依据缺省，程序将以VALUE·TOLER的值对力（或者力矩）进行收敛检查。VALUE的缺省值是在所加载荷（或所加位移，Netwton-Raphson回复力）的SRSS，和MINREF（其缺省为1.0）中，取值较大者。TOLER的缺省值是0.001

你应当几乎总是使用力收敛检查。可以添加位移（或者转动）收敛检查。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上。

注意──如果你明确地定义了任何收敛准则（CNVTOL〕，缺省准则将“失效”。因此，如果你定义了位移收敛检查，你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）。

用户收敛准则你可以定义用户收敛准则，替代缺省的值。使用严格的收敛准则将提高你的结果的精度，但以多更次的平衡迭代为代价。如果你想严格（加放松）你的准则，你应当改变TOLER两个数量级。一般地，你应当继续使用VALUE的缺省值；也就是，通过调整TOLER，而不是VALUL

改变收敛准则。你应当确保MINREF=1.0的缺省值在你的分析范围内有意义。

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，你对这一个DOF计算出不平衡力，然后对照给定的收敛准则（VALUE*TOLER）参看这个值（同样也可以对的单一DOF的位移(和旋度)收敛进行类似的检查。）然而，在多DOF系统中，你也许想使用不同的比较方法。

ANSYS程序提供三种不同的矢量规范用于收敛核查。

·无限规范在你模型中的每一个DOF处重复单－DOF核查。

·LI规范将收敛准则同所有DOFS的不平衡力（力矩）的绝对值的总和相对照。

·L2规范使用所有DOFS不平衡力（或力矩）的平方总和的平方根进行收敛检查。

例如：对于下面例子，如果不平衡力（在每一个DOF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（以平方和的平方根检查）小于或等于10·0.001（也就是0.01），子步将认为是收敛的。

CNVTOL，F，5000，0.005，0

CNVTOL，U，10，0.001，2

·平衡迭代的最大次数〔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（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，依据你在NCNV命令中发出的指示。

·求解终止选项〔NCNV〕

这个选项处理五种不同的终止准则：

·如果位移“太大”它建立一个用于终止分析和程序执行的准则。

·它对累积迭代次数设置限制。

·它对整个时间设置限制。

·它对整个CPU时间设置限制。

·弧长选项〔ARCLEN〕

如果你预料结构在它的载荷历史内在某些点将变得物理意义上不稳定（也就是， 结构的载荷—位移曲线的斜度将为0或负值），你可以使用弧长方法来帮助稳定数值求解。

激活弧长方法的典型的系列命令显示在这里：

注意──当合适时，你可以和弧长方法一起使用许多其它的分析和载荷步选项。然而，你不应和弧长方法一起使用下列选项：不要使用线搜索〔LNSRCH〕，时间步长预测〔PRED〕，自适应下降〔NROPT，，，ON〕，自动时间步长〔AUTOTS，TIME，DELTIM〕，或打开时间－积分效应（TIMINT）。

· 时间步长预测──纠正选项〔PRED〕

对于每一个子步的第一次平衡迭代你可以激活和DOF求解有关的预测。这个特点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。

· 线搜索选项〔LNSRCH〕

这个选项是对自适应下降的替代。当被激活时，无论何时发现硬化响应。这个收敛提高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。因为线搜索算法是用来对自适应下降选项〔NROPT〕进行的替代，如果线搜索选项是开，自适应下降不被自动激活。不建议你同时激活线搜索和自适应下降。

当存在强迫位移时，直到迭代中至少有一次具有一个的线搜索值运算才会收敛。ANSYS调节整个DU矢量，包括强迫位移值；否则，除了强迫DOF处一个小的位移值将随处发生。直到适代中的某一次具有1的线搜索值，ANSYS才施加全部位移值。

·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。（如果自动时间步长〔AUTOTS〕不是打开的，这个蠕变准则将无效。）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）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，程序或许增加下一个时间步长。（同样地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。）如果比值高于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避免〔DELTIM，NSUBST）。

· 激活和杀死选项

在ANSYS/Mechanical和ANSYS/LS－DYNA产品中，你可以去杀死和激活单元来模拟材料的消去和添加。

程序通过用一个非常小的数（它由ESTIF命令设置）乘以它的刚度从总质量矩阵消去它的质量“ 杀死”一个单元。对无活性单元的单元载荷（压力，热通量，热应变，等等）同样地设置为零。你需要在前处理中定义所有可能的单元；你不可能在 SOLUTION中产生新的单元。

要在你的分析的后面阶段中“出生”的那些单元，在第一个载荷步前应当被杀死，然后去在适当的载荷步的开始被重激活，当单元被重激活时，它们具有零 应变状态，且（如果NLGEOM， ON） 它们的几何（开头长度，面积等等） 被修改来与它们的的现偏移位置相适应。

·杀死（EKILL）

·激活（EALIVE）

·改变材料性质参考号〔MPCHG〕

另一种在求解期间影响单元行为的办法是来改变它的材料性质参考号。这个选项允许你在载荷步间改变一个单元的材料性质。

EKILL适用于大多数单元类型。MPCHG适用于所于单元类型。

输出控制选项

输出控制选项包括下列：

·打印输出（OUTPR）

使用这个选项来在输出文件（Jobname.out)中包括进便所想要的结果数据。

·结果文件输出〔OUTRES〕

这个选项控制结果文件中的数据（Jobname.rst)。

OUTPR和OUTRES用来控制结果被写入这些文件的频率。

·结果外推〔ERESX〕

这个选项，依据缺省，拷贝一个单元的积分点应力和弹性应变结果到结点而替代外推它们，如果在单元中存在非线性（塑性，蠕变，膨胀）的话。积分点非线性变化总是被拷贝到结点。

注意：对输出行使下列警告：

·恰当使用多个OUTRES或OUTPR命令有时可能有一点小的技巧。

·依据缺省，在非线性分析中只有最后一个子步被写入结果文件。要写入所有子步，设置OUTRES中的FREQ域为ALL。

·依据缺者，只有1000个结果集（子步）可以被写入结果文件。如果超过了这个数目（基于你的OUTRES指定），程序将由于错误而终止。使用命令/CONFIG，NRES来增加这个界限。

5、存储基本数据的备份副本于另一文件。

命令：SAVE

GUI：Utility Menu>File>Save As

6、开始求解计算。

命令：SOLVE

GUI：Main Menn>Solution>-Solve-Current LS

7、如果你需要定义多个载荷步，对每一个其余的载荷步重复步骤3至6。

8、离开SOLUTION处理器

命令：FINISH

GUI：关闭Solution菜单。

步骤3：考察结果

来自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。可以用POST1，通用后处理器，或者用POST26，时间历程后处理器，来考察这些结果。

记住，用POST1一次仅可以读取一个子步，且来自那个子步的结果应当已被写入Jobname.rst。（载荷步选项命令OUTRES控制哪一个子步的结果被存储入Jobname.rst。）典型的POST1后处理顺序将在下面描述。

要记住的要点

·用POST1考察结果，数据库中的模型必须与用于求解计算的模型相同。

·结果文件（Jobname.rst）必须是可用的。

用POST1考察结果

1、检查你的输出文件（Jobname.out)是否在所有的子步分析都收敛。

·如果不收敛，你可能不想后处理结果，而是想确定为什么收敛失败。

·如果你的解收敛，那么继续进行后处理。

2、进入POST1。如果用于求解的模型现在不在数据中，发出RESUME。

命令：POST1GUI：Main Menu>General Postproc

3、读取需要的载荷步和子步结果，这可以依据载荷步和子步号或者时间来识别然而，不能依据时间识别出弧长结果。

命令：SET

GUI：Main Menn>General Postproc>Read Results-Load step

同样地你可以使用SUBSET或者APPEND命令来只对选出的部分模型读取或者合并结果数据。这些命令中的任何一个中的LIST参数列出结果文件中可用的解。你同样地可以通过INRES命令限制从结果文件到基本数据被写的数据总量。另外可以用ETABLL命令对选出的单元存进行后处理。

注意：如果你指定了一个没有结果可用的Time值，ANSYS程序将进行线性内插来计算出那Time处的结果。认识到在非线分析中这种线性内插通常将导致某些精度损失（参看图1─9）。因此，对于非线性分析，通常你应当在一个精确地对应于要求子步的TIME处进行后处理。

图：非线性果的线性内插可能引起某些误差。

4、使用下列任意选项显示结果

选项；显示已变形的形状

命令：PLDISP

GUI：Main Menu>General Postproc>lot Results>Deformed Shapes

在大变形分析中，一般优先使用真实比例显示〔IDSCALE，，1〕。

选项：等值线显示

命令：PLNSOL 或者PLESOL

GUI：Main Menu>General Postproc>lot Results>-Contour Plot-Nodal Solu或者 Element Solu

使用这些选项来显示应力，应变，或者任何其它可用项目的等值线。如果邻接的单元具有不同材料行为（可能由于塑性或 多线性弹性的材料性质，由于不同的材料类型，或者由于邻近的单元的死活属性不同而产生），你应当注意避免你的结果中的结点应力平均错误。

同样地你可以绘帛单元表数据和线单元数据的等值线：

命令：PLETAB，PLLS

GUIS：Main Menu>General Postproc>Element Table>lot Element Table

Main Menu>General Postproc>plot Results>-Contour Plot-Line Elem Res

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