ANSYS讲义-非线性分析课件

XJTUXJTUANSYS 及其在材料科学中的应用及其在材料科学中的应用（5）ANSYS 及其在材料科学中的应用（5）XJTUXJTUOutline 非线性分析非线性分析1.非线性概述非线性概述2.非线性求解非线性求解Outline 非线性分析非线性概述XJTUXJTU非线性行为非线性行为非线性行为非线性行为 基本概念基本概念基本概念基本概念非线性结构的基本特征是结构刚度随载荷的改变而变化。如果绘制非线性结构的基本特征是结构刚度随载荷的改变而变化。如果绘制一个非线性结构的载荷位移曲线，则力与位移的关系是非线性函一个非线性结构的载荷位移曲线，则力与位移的关系是非线性函数。数。Fu当载荷增加时，载荷当载荷增加时，载荷位移曲线的斜率也在改位移曲线的斜率也在改变。在本例中结构是变。在本例中结构是“软化软化”的。的。非线性行为 基本概念非线性结构的基本特征是结构刚度随载荷的改XJTUXJTU非线性行为非线性行为非线性行为非线性行为(续续续续)引起结构非线性的原因有很多，它们可分成以下三种主引起结构非线性的原因有很多，它们可分成以下三种主要类型：要类型：1.几何非线性几何非线性大应变，大位移，大旋转大应变，大位移，大旋转2.材料非线性材料非线性塑性，超弹性，粘弹性，蠕变塑性，超弹性，粘弹性，蠕变3.状态改变非线性状态改变非线性接触，单元死活接触，单元死活非线性行为(续)引起结构非线性的原因有很多，它们可分成以下三XJTUXJTU几何非线性几何非线性几何非线性几何非线性如果一个结构承受大的变形，它改变的几何构形可导致非线性行如果一个结构承受大的变形，它改变的几何构形可导致非线性行为。大位移、大应变和大旋转是几何非线性的例子。为。大位移、大应变和大旋转是几何非线性的例子。在轻微的横向载荷下，杆的端部是极度柔性的，当载荷增加时，杆的几何在轻微的横向载荷下，杆的端部是极度柔性的，当载荷增加时，杆的几何形状改变（变弯曲）并减少了力臂（由于载荷移动），从而导致杆的刚度形状改变（变弯曲）并减少了力臂（由于载荷移动），从而导致杆的刚度在较高载荷下不断增大。在较高载荷下不断增大。几何非线性如果一个结构承受大的变形，它改变的几何构形可导致非XJTUXJTU材料非线性材料非线性材料非线性材料非线性非线性的应力应变关系是产生结构非线性的一个普遍原因。非线性的应力应变关系是产生结构非线性的一个普遍原因。钢钢橡橡 胶胶应变应变应变应变应力应力应力应力材料非线性非线性的应力应变关系是产生结构非线性的一个普遍原XJTUXJTU状态改变非线性状态改变非线性状态改变非线性状态改变非线性许多非线性问题是与状态相关的。例如一段绳索可以是松驰的或许多非线性问题是与状态相关的。例如一段绳索可以是松驰的或拉紧的。一个装配件的两部分可能接触或脱离接触。拉紧的。一个装配件的两部分可能接触或脱离接触。在这个接触例题中，在这个接触例题中，接触面积未知，它接触面积未知，它取决与施加载荷的取决与施加载荷的大小。大小。状态改变非线性许多非线性问题是与状态相关的。例如一段绳索可以XJTUXJTU非线性分析得到的结果非线性分析得到的结果非线性分析得到的结果非线性分析得到的结果 不能使用叠加原理不能使用叠加原理不能使用叠加原理不能使用叠加原理!结构响应与路径有关，也就是说加载的顺序可能是结构响应与路径有关，也就是说加载的顺序可能是结构响应与路径有关，也就是说加载的顺序可能是结构响应与路径有关，也就是说加载的顺序可能是重要的。重要的。重要的。重要的。结构响应与施加的载荷可能不成比例。结构响应与施加的载荷可能不成比例。结构响应与施加的载荷可能不成比例。结构响应与施加的载荷可能不成比例。非线性分析得到的结果不能使用叠加原理!XJTUXJTU非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用 一些典型的非线性分析的应用包括：一些典型的非线性分析的应用包括：一些典型的非线性分析的应用包括：一些典型的非线性分析的应用包括：非线性屈曲失稳分析非线性屈曲失稳分析 金属成形研究金属成形研究 碰撞与冲击分析碰撞与冲击分析 制造过程分析（制造过程分析（装配、部件接触等）装配、部件接触等）材料非线性分析材料非线性分析 （弹性材料、聚合物）（弹性材料、聚合物）承受极限载荷的系统分析（塑性行为与动力响应）承受极限载荷的系统分析（塑性行为与动力响应）非线性分析的应用一些典型的非线性分析的应用包括：XJTUXJTU非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用(续续续续)宽翼悬臂梁的侧边扭转失宽翼悬臂梁的侧边扭转失稳稳一个由于几何非线性造一个由于几何非线性造成的结构稳定性问题成的结构稳定性问题非线性分析的应用(续)宽翼悬臂梁的侧边扭转失稳一个由于几何非XJTUXJTU非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用(续续续续)橡胶底密封橡胶底密封 一个包含几何非线一个包含几何非线性（大应变与大变性（大应变与大变形），材料非线性形），材料非线性（橡胶），及状态（橡胶），及状态非线性（接触的例非线性（接触的例子。子。非线性分析的应用(续)橡胶底密封 XJTUXJTU非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用非线性分析的应用(续续续续)轴上装配花键，接触非线性轴上装配花键，接触非线性的例子的例子非线性分析的应用(续)轴上装配花键，接触非线性的例子XJTUXJTU概述概述概述概述ANSYSANSYS 最常用的非线性功能最常用的非线性功能最常用的非线性功能最常用的非线性功能 几何非线性几何非线性几何非线性几何非线性 大应变，大位移与大转动大应变，大位移与大转动大应变，大位移与大转动大应变，大位移与大转动-结构稳定性结构稳定性结构稳定性结构稳定性 （前屈曲分析与后屈曲分析）（前屈曲分析与后屈曲分析）（前屈曲分析与后屈曲分析）（前屈曲分析与后屈曲分析）塑性塑性塑性塑性 超弹性超弹性超弹性超弹性 接触非线性接触非线性接触非线性接触非线性概述ANSYS 最常用的非线性功能XJTUXJTU非线性分析非线性分析非线性分析XJTUXJTU应理解非线性分析中所用到的基本术语：应理解非线性分析中所用到的基本术语：1.Newton-Raphson法法2.收敛收敛3.载荷步，子步和平衡迭代载荷步，子步和平衡迭代4.自动时间步自动时间步5.输出文件信息输出文件信息6.非线性求解过程非线性求解过程7.高级求解控制高级求解控制8.重启动分析重启动分析主要内容主要内容主要内容主要内容应理解非线性分析中所用到的基本术语：1.Newton-RXJTUXJTU非线性求解非线性求解非线性求解非线性求解Fu在非线性分析中，不能直接由线性方程组求得响应。在非线性分析中，不能直接由线性方程组求得响应。需要将载荷分解成许多增量求解，每一增量确定一平需要将载荷分解成许多增量求解，每一增量确定一平衡条件。衡条件。非线性求解Fu在非线性分析中，不能直接由线性方程组求得响应。XJTUXJTU渐变式加载渐变式加载渐变式加载渐变式加载非线性求解的一种方法是将载荷分解为一系列增量。非线性求解的一种方法是将载荷分解为一系列增量。在每一增量步求解结束后，调节刚度矩阵以适应非线在每一增量步求解结束后，调节刚度矩阵以适应非线性响应。性响应。纯增量法的问题在于载荷纯增量法的问题在于载荷增量步导致误差累积，使增量步导致误差累积，使最终结果偏离平衡。最终结果偏离平衡。Fu误差误差累计响应累计响应位移位移载荷载荷渐变式加载非线性求解的一种方法是将载荷分解为一系列增量。在每XJTUXJTU1)Newton-Raphson 1)Newton-Raphson 法法法法ANSYS 使用使用Newton-Raphson平衡迭代法平衡迭代法 克服了增量克服了增量求解的问题。求解的问题。在每个载荷增量步结束时，平衡迭代驱使在每个载荷增量步结束时，平衡迭代驱使解回到平衡状态。解回到平衡状态。Fu一个载荷增量中全一个载荷增量中全 Newton-Raphson 迭代迭代求解。（四个迭代步如求解。（四个迭代步如图所示）图所示）位移位移载荷载荷12341)Newton-Raphson 法ANSYS 使用NeXJTUXJTUNewton-RaphsonNewton-Raphson法法法法(续续续续)Newton-Raphson 法迭代求解使用下列方程：法迭代求解使用下列方程：KT u=Fa-Fnr这里这里:KT=切向刚度矩阵切向刚度矩阵 u=位移增量位移增量Fa=施加的载荷矢量施加的载荷矢量Fnr=内力矢量内力矢量目标是迭代至收敛目标是迭代至收敛(后面定义后面定义)。Fau1234KTNewton-Raphson法(续)Newton-RaphsXJTUXJTUNewton-Raphson Newton-Raphson 法法法法(续续续续)Newton-Raphson法是法是ANSYS用于求解非线性方程组用于求解非线性方程组的一种的一种数值数值方法方法。Newton-Raphson法基于增量加载法基于增量加载与迭代，使每个载荷增量步达到平衡。与迭代，使每个载荷增量步达到平衡。Newton-Raphson 法的优点是对于一致的切向刚度矩法的优点是对于一致的切向刚度矩阵有二次收敛速度。阵有二次收敛速度。也就是每一迭代步的求解误差与前一步误差的平也就是每一迭代步的求解误差与前一步误差的平方成正比。方成正比。Newton-Raphson 法(续)Newton-RaphXJTUXJTU2)2)收收收收 敛敛敛敛Newton-Raphson 法需要一个收敛的度量以决定何时法需要一个收敛的度量以决定何时结束迭代。给定外部载荷（结束迭代。给定外部载荷（Fa），），内部载荷（内部载荷（Fnr）（由单元应力产生并作用于节点），在一个体中，外部（由单元应力产生并作用于节点），在一个体中，外部载荷必须与内力相平衡。载荷必须与内力相平衡。Fa-Fnr=0收敛是平衡的度量。收敛是平衡的度量。2)收 敛Newton-Raphson 法需要一个收敛的XJTUXJTU收收收收 敛敛敛敛(续续续续)Fau1Newton-Raphson 迭代过程如下所示。基于迭代过程如下所示。基于 u0 时的结时的结构构形，计算出切向刚度构构形，计算出切向刚度KT，基于基于 F 计算出的位移增量计算出的位移增量是是 u，结构构形更新为结构构形更新为 u1。Fnr u在更新的构形中计算出内力在更新的构形中计算出内力（单元力）（单元力）。迭代中的迭代中的Newton-Raphson 不平衡量不平衡量是是:R=Fa-Fnr Fu0位移位移载荷载荷RKT收 敛(续)Fau1Newton-Raphson 迭代过程XJTUXJTU收收收收 敛敛敛敛(续续续续)Newton-Raphson不平衡量不平衡量(Fa-Fnr)实际上从未真实际上从未真正等于零。当不平衡量小到误差允许范围内时，可中正等于零。当不平衡量小到误差允许范围内时，可中止止Newton-Raphson 迭代，得到平衡解。迭代，得到平衡解。在数学上，当不平衡量的范数在数学上，当不平衡量的范数|Fa-Fnr|小于指定小于指定容限乘以参考力的值时就认为得到收敛。容限乘以参考力的值时就认为得到收敛。收 敛(续)Newton-Raphson不平衡量(Fa XJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据ANSYS 缺省的收敛判据是力缺省的收敛判据是力/力矩和位移力矩和位移/旋转增旋转增量量。对于力对于力/力矩缺省的容限是力矩缺省的容限是0.5%，对于位移对于位移/旋转旋转增量的容限是增量的容限是 5%。经验表明这些容限对于大多数问题具有足够的精确度。经验表明这些容限对于大多数问题具有足够的精确度。缺省的设置对于广泛的工程问题既不缺省的设置对于广泛的工程问题既不“太紧太紧”也不也不“太松太松”。收敛判据ANSYS 缺省的收敛判据是力/力矩和位移/XJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据(续续续续)力收敛判据提供了一个收敛的绝对度量，因为它可直接度量内部力收敛判据提供了一个收敛的绝对度量，因为它可直接度量内部力与外部力间的平衡。力与外部力间的平衡。基于检查的位移判据只应作为力基于检查的位移判据只应作为力收敛判据的辅助手段使用。收敛判据的辅助手段使用。只依据位移判断收敛在一些情况只依据位移判断收敛在一些情况下将导致错误的结果。下将导致错误的结果。收敛判据(续)力收敛判据提供了一个收敛的绝对度量，因为它可直XJTUXJTU收敛半径收敛半径收敛半径收敛半径虽然使用一致切向刚度的虽然使用一致切向刚度的Newton-Raphson法具有平方的收敛速度，法具有平方的收敛速度，但它不能保证一定收敛！只有初始构形在收敛半径以内，但它不能保证一定收敛！只有初始构形在收敛半径以内，Newton-Raphson 才可以保证收敛。才可以保证收敛。Fu位移位移载荷载荷收敛半径收敛半径 如果如果 ustart 在收敛半径内将收在收敛半径内将收敛，否则将发散。敛，否则将发散。ustart?收敛半径虽然使用一致切向刚度的Newton-Raphson法XJTUXJTU收敛半径收敛半径收敛半径收敛半径(续续续续)ANSYS 使用了许多求解工具（以后将探讨）既使用渐变式加载使用了许多求解工具（以后将探讨）既使用渐变式加载（在收敛半径内开始求解），又扩大收敛半径。（在收敛半径内开始求解），又扩大收敛半径。渐变式加载渐变式加载扩大收敛半径扩大收敛半径Fuustart F1Fuustart 收敛半径(续)ANSYS 使用了许多求解工具（以后将探讨）既XJTUXJTU切向刚度切向刚度切向刚度切向刚度为得到平方的收敛速度，切向刚度矩阵需要是全一致的。切向刚度矩为得到平方的收敛速度，切向刚度矩阵需要是全一致的。切向刚度矩阵阵KT由四部分组成：由四部分组成：KT=Kinc+Ku+K -Ka这里这里Kinc=主切向刚度矩阵主切向刚度矩阵Ku=初始位移矩阵初始位移矩阵K=初始应力矩阵初始应力矩阵Ka=初始载荷矩阵初始载荷矩阵切向刚度为得到平方的收敛速度，切向刚度矩阵需要是全一致的。切XJTUXJTU切向刚度切向刚度切向刚度切向刚度(续续续续)切向刚度矩阵代表多维空间中载荷位移曲线的斜度。切向刚度矩阵代表多维空间中载荷位移曲线的斜度。Kinc 是主切向刚度矩阵。是主切向刚度矩阵。Ku 考虑了与单元形状与位置改变有关的刚度。考虑了与单元形状与位置改变有关的刚度。K 考虑了与单元应力状态有关的刚度；它结合了应力刚化效应。考虑了与单元应力状态有关的刚度；它结合了应力刚化效应。Ka 考虑了与压力载荷取向改变有关的刚度，取向改变是由变形引考虑了与压力载荷取向改变有关的刚度，取向改变是由变形引起的起的。切向刚度(续)切向刚度矩阵代表多维空间中载荷位移曲线的斜度XJTUXJTU3)3)载荷步、子步载荷步、子步载荷步、子步载荷步、子步 和平衡迭代和平衡迭代和平衡迭代和平衡迭代 在在在在ANSYSANSYS中，结构上施加的载荷由一系列定义的中，结构上施加的载荷由一系列定义的中，结构上施加的载荷由一系列定义的中，结构上施加的载荷由一系列定义的 载荷步载荷步载荷步载荷步 来描述。来描述。来描述。来描述。给定载荷步中的载荷是逐步施加上去的。载荷的每个增量称之为给定载荷步中的载荷是逐步施加上去的。载荷的每个增量称之为给定载荷步中的载荷是逐步施加上去的。载荷的每个增量称之为给定载荷步中的载荷是逐步施加上去的。载荷的每个增量称之为子步。子步。子步。子步。3)载荷步、子步 和平衡迭代在ANSYS中，结构上施加的载XJTUXJTU载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代非线性求解可按下列三个层次组织：非线性求解可按下列三个层次组织：载荷步载荷步载荷步是顶层，求解选项，载荷与边界条件都施加于某个载荷步内。载荷步是顶层，求解选项，载荷与边界条件都施加于某个载荷步内。子步子步子步是载荷步中的载荷增量。子步用于逐步施加载荷。子步是载荷步中的载荷增量。子步用于逐步施加载荷。平衡迭代步平衡迭代步平衡迭代步是平衡迭代步是ANSYS为得到给定子步（载荷增量）的收敛解而采用的为得到给定子步（载荷增量）的收敛解而采用的方法。方法。载荷步，子步与平衡迭代非线性求解可按下列三个层次组织：XJTUXJTU载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代载荷步，子步与平衡迭代(续续续续)“时间时间”载荷载荷载荷步载荷步 2载荷载荷 1子步子步在每一增量载荷步中完成在每一增量载荷步中完成平衡迭代步。平衡迭代步。载荷步一中有两个子步，载荷步一中有两个子步，载荷步二中有三个子步。载荷步二中有三个子步。每个载荷步及子步都与每个载荷步及子步都与“时间时间”相关联。相关联。两个载荷步的求解两个载荷步的求解载荷步，子步与平衡迭代(续)“时间”载荷载荷步 2载荷 1子XJTUXJTU 在非线性求解中的在非线性求解中的在非线性求解中的在非线性求解中的“时间时间时间时间”每个载荷步与子步都与每个载荷步与子步都与“时间时间”相关联。相关联。子步子步 也叫也叫时间步时间步。在率相关分析（蠕变，粘塑性）与瞬态分析中，在率相关分析（蠕变，粘塑性）与瞬态分析中，“时间时间”代表真实代表真实的时间。的时间。对于率无关的静态分析，对于率无关的静态分析，“时间时间”表示加载次序。在静态分析中，表示加载次序。在静态分析中，“时间时间”可设置为任何适当的值。可设置为任何适当的值。建模技巧建模技巧:在静态分析中，在静态分析中，“时间时间”可设置为给定载荷的大小。这可设置为给定载荷的大小。这样将易于绘制载荷位移曲线。样将易于绘制载荷位移曲线。在非线性求解中的“时间”每个载荷步与子步都与“时XJTUXJTU子步中的载荷增量大小子步中的载荷增量大小(F)由时间由时间步的大小步的大小 t决定。决定。时间步大小可由用户设定或由时间步大小可由用户设定或由ANSYS自动预测与控制。自动预测与控制。自动时间步自动时间步 算法可在载荷步内为所有算法可在载荷步内为所有子步预测与控制时间步长的大小（载子步预测与控制时间步长的大小（载荷增量）。荷增量）。F时间时间载荷载荷F1F2 tt1t2 ）自动时间步）自动时间步）自动时间步）自动时间步 子步中的载荷增量大小(DF)由时间步的大小Dt决定。DXJTUXJTU自动时间步算法是自动时间步算法是 非线性求解控制非线性求解控制 中包含的多种算法的一种。中包含的多种算法的一种。（在以后的非线性求解控制中有进一步的讨论。）（在以后的非线性求解控制中有进一步的讨论。）基于前一步的求解历史与问题的本质，自动时间步算法或者增加基于前一步的求解历史与问题的本质，自动时间步算法或者增加或者减小子步的时间步大小。或者减小子步的时间步大小。自动时间步自动时间步自动时间步自动时间步(续续续续)自动时间步算法是 非线性求解控制 中包含的多种算法的一种。XJTUXJTU5)5)输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息在非线性求解过程中，输出窗口显示许多关于收敛的信息。输出在非线性求解过程中，输出窗口显示许多关于收敛的信息。输出窗口包括：窗口包括：力力/力矩不平衡量力矩不平衡量 RFORCE CONVERGENCE VALUE最大的自由度增量最大的自由度增量 uMAX DOF INC力收敛判据力收敛判据CRITERION载荷步与子步数载荷步与子步数 LOAD STEP 1 SUBSTEP 14 5)输出文件的信息在非线性求解过程中，输出窗口显示许多关于XJTUXJTU输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息(续续续续)输出窗口包括（续）输出窗口包括（续）：当前子步的迭代步数当前子步的迭代步数EQUIL ITER 4 COMPLETED 累计迭代步数累计迭代步数CUM ITER=27时间值与时间步大小时间值与时间步大小TIME=59.1250 TIME INC=5.00000自动时间步信息自动时间步信息AUTO STEP TIME:NEXT TIME INC=5.0000 UNCHANGED输出文件的信息(续)输出窗口包括（续）：XJTUXJTU输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息(续续续续)*LOAD STEP 1 SUBSTEP 14 COMPLETED.CUM ITER=27*TIME=54.1250 TIME INC=5.00000 *MAX PLASTIC STRAIN STEP=0.1512 CRITERION=0.2500 *AUTO STEP TIME:NEXT TIME INC=5.0000 UNCHANGED FORCE CONVERGENCE VALUE =349.2 CRITERION=2.598 DISP CONVERGENCE VALUE =0.1320 CRITERION=0.9406 CONVERGED EQUIL ITER 1 COMPLETED.NEW TRIANG MATRIX.MAX DOF INC=-0.1645E-01 FORCE CONVERGENCE VALUE =10.35 CRITERION=2.095 DISP CONVERGENCE VALUE =0.2409E-01 CRITERION=0.9406 CONVERGED EQUIL ITER 2 COMPLETED.NEW TRIANG MATRIX.MAX DOF INC=-0.1127E-01 FORCE CONVERGENCE VALUE =4.687 CRITERION=2.113 DISP CONVERGENCE VALUE =0.1024E-01 CRITERION=0.9406 CONVERGED EQUIL ITER 3 COMPLETED.NEW TRIANG MATRIX.MAX DOF INC=0.3165E-02 FORCE CONVERGENCE VALUE =2.179 CRITERION=2.107 DISP CONVERGENCE VALUE =0.5611E-02 CRITERION=0.9406 CONVERGED EQUIL ITER 4 COMPLETED.NEW TRIANG MATRIX.MAX DOF INC=-0.1385E-02 FORCE CONVERGENCE VALUE =0.9063 CRITERION=2.108 SOLUTION CONVERGED AFTER EQUILIBRIUM ITERATION 4*LOAD STEP 1 SUBSTEP 15 COMPLETED.CUM ITER=31*TIME=59.1250 TIME INC=5.00000 *MAX PLASTIC STRAIN STEP=0.2136 CRITERION=0.2500 *AUTO STEP TIME:NEXT TIME INC=5.0000 UNCHANGED输出文件的信息(续)*LOAD STEP 1XJTUXJTU输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息(续续续续)输出文件中的信息可用于求解调试。下列内容代表求解过程中输出文件中的信息可用于求解调试。下列内容代表求解过程中的一些典型问题：的一些典型问题：力力/力矩不平衡量力矩不平衡量 求解收敛的如何求解收敛的如何？不平衡量是在增加、减不平衡量是在增加、减少或振荡？少或振荡？自由度增量自由度增量 自由度增量是变小、变大或振荡？自由度增量是变小、变大或振荡？力收敛判据力收敛判据 在你的问题中这个值是太大还是太小？它如何能在你的问题中这个值是太大还是太小？它如何能与力收敛值相匹配？与力收敛值相匹配？输出文件的信息(续)输出文件中的信息可用于求解调试。下列内容XJTUXJTU输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息输出文件的信息(续续续续)载荷步与子步数载荷步与子步数 求解现位于载荷历程的何处？当前载荷步使求解现位于载荷历程的何处？当前载荷步使用了多少子步？用了多少子步？迭代数迭代数 每一子步使用了多少次迭代？载荷增量是太大还是太每一子步使用了多少次迭代？载荷增量是太大还是太小？小？时间参数时间参数 求解现位于载荷历程的哪一点？求解现位于载荷历程的哪一点？自动时间步信息自动时间步信息 下一子步的时间步长是缩小还是增大？下一子步的时间步长是缩小还是增大？收收敛历史是顺利还是困难？敛历史是顺利还是困难？输出文件的信息(续)载荷步与子步数 求解现位于载荷历程的XJTUXJTU图示收敛信息图示收敛信息图示收敛信息图示收敛信息在图形窗口显示的在图形窗口显示的是图形化的收敛历是图形化的收敛历史。显示了时间、史。显示了时间、迭代步数与不平衡迭代步数与不平衡量的信息。在求解量的信息。在求解过程中这一显示不过程中这一显示不断更新。断更新。图示收敛信息在图形窗口显示的是图形化的收敛历史。显示了时间、XJTUXJTU6)6)非线性求解过程非线性求解过程非线性求解过程非线性求解过程下面列出了完成非线性分析所需的典型步骤：下面列出了完成非线性分析所需的典型步骤：1.指定分析类型指定分析类型2.指定几何非线性打开或关闭指定几何非线性打开或关闭3.为载荷步指定为载荷步指定“时间时间”4.设定子步数设定子步数5.施加载荷与边界条件施加载荷与边界条件6.指定输出控制与监视值指定输出控制与监视值7.保存数据库保存数据库8.求解载荷步求解载荷步6)非线性求解过程下面列出了完成非线性分析所需的典型步骤：XJTUXJTUA.A.分析类型分析类型分析类型分析类型定义分析类型是静态还是瞬态。定义分析类型是静态还是瞬态。注意在第一个载荷步后，就不注意在第一个载荷步后，就不能更改分析类型了。能更改分析类型了。Solution New Analysis.对于非线性分析只有对于非线性分析只有两个选择：静态或瞬两个选择：静态或瞬态。态。缺省设置是静态缺省设置是静态。A.分析类型定义分析类型是静态还是瞬态。注意在第一个载荷步后XJTUXJTUB.B.几何非线性几何非线性几何非线性几何非线性打开大变形开关将在分析中包括几何非线性效应：大应变、大位打开大变形开关将在分析中包括几何非线性效应：大应变、大位移与大转动。缺省设置是关闭几何非线性。移与大转动。缺省设置是关闭几何非线性。Solution soln controls如果不能确定几何非线性是否重要，选大变形比较保险。如果不能确定几何非线性是否重要，选大变形比较保险。B.几何非线性打开大变形开关将在分析中包括几何非线性效应：大XJTUXJTUC.C.载荷步时间载荷步时间载荷步时间载荷步时间Solution Time/Freq Time and Substps.时间时间如果没有指定如果没有指定“时间时间”，则缺省，则缺省值为值为TIME+1.0。TIME为前一载为前一载荷步结束时的值。荷步结束时的值。对于第一个载荷步，对于第一个载荷步，“时间时间”缺缺省值为省值为1.0。对于静态、率无关分析，对于静态、率无关分析，“时间时间”可指定为任何值。对比例加载，可指定为任何值。对比例加载，可将时间设定为载荷步结束时的可将时间设定为载荷步结束时的载荷值。载荷值。C.载荷步时间Solution Time/Freq XJTUXJTUD.D.子步与时间子步与时间子步与时间子步与时间Solution Time/Freq Time and Substps.时间时间求解控制自动打开求解控制自动打开 子步数子步数最大值子步数最大值子步数最小值子步数最小值子步数D.子步与时间Solution Time/Freq XJTUXJTU子步数子步数子步数子步数 子步数（子步数（N）通过初始时间步长（通过初始时间步长（tinitial），确定了载荷步中第一），确定了载荷步中第一子步的载荷增量大小（子步的载荷增量大小（Finitial）tinitial=(Tend-Tbegin)/N Finitial=(Fend-Fbegin)*tinitial强烈推荐强烈推荐:指定载荷步的子步数指定载荷步的子步数。如果未指定子步数，如果未指定子步数，ANSYS将挑选一个缺省值并发出一则警告给将挑选一个缺省值并发出一则警告给用户。用户。子步数 子步数（N）通过初始时间步长（Dtinitial XJTUXJTU子步数子步数子步数子步数(续续续续)最大最大 子步数（子步数（Nmax）通过最小时间步长确定子步的最小载荷增）通过最小时间步长确定子步的最小载荷增量，如：量，如：tmin=(Tend-Tbegin)/Nmax Fmin=(Fend-Fbegin)*tmin最小最小 子步数（子步数（Nmin）通过最大时间步长确定子步的最大载荷增）通过最大时间步长确定子步的最大载荷增量，如：量，如：tmax=(Tend-Tbegin)/Nmin Fmax=(Fend-Fbegin)*tmax通过通过Nmax 与与Nmin 定义的最小与最大时间步长将定义的最小与最大时间步长将影响自动时间步影响自动时间步长算法中的时间步长的增加与减少长算法中的时间步长的增加与减少。子步数(续)最大 子步数（Nmax）通过最小时间步长确定XJTUXJTU时间与时间步长时间与时间步长时间与时间步长时间与时间步长Solution Time/Freq Time-TimeStps.时间时间求解控制自动打开求解控制自动打开时间步长时间步长最小时间步长最小时间步长最大时间步长最大时间步长时间与时间步长Solution Time/Freq XJTUXJTU时间步大小时间步大小时间步大小时间步大小设置时间步长与指定子步数相类似设置时间步长与指定子步数相类似。初始的时间增量（。初始的时间增量（tinitial）确）确定了载荷步第一子步的载荷增量（定了载荷步第一子步的载荷增量（Finitial），如：），如：Finitial=(Fend-Fbegin)*tinitial最小最小 时间步长（时间步长（tmin）确定）确定 Fmin Fmin=(Fend-Fbegin)*tmin最大最大 时间步长（时间步长（tmax）确定）确定 Fmax Fmax=(Fend-Fbegin)*tmax时间步大小设置时间步长与指定子步数相类似。初始的时间增量（XJTUXJTU子步数或时间步长子步数或时间步长子步数或时间步长子步数或时间步长指定子步数或指定时间步长由用户挑选。这两个过程都为载荷步指定子步数或指定时间步长由用户挑选。这两个过程都为载荷步确定了初始的、最大的和最小的时间步长（载荷增量）。确定了初始的、最大的和最小的时间步长（载荷增量）。子步数或初始时间步长是关系到求解能否正常进行与效率的重要子步数或初始时间步长是关系到求解能否正常进行与效率的重要的参数。强烈推荐指定此参数。的参数。强烈推荐指定此参数。虽然虽然ANSYS设立了缺省的子步数或时间步长，但缺省设置是任设立了缺省的子步数或时间步长，但缺省设置是任意的。意的。子步数或时间步长指定子步数或指定时间步长由用户挑选。这两个过XJTUXJTU子步数或时间步长子步数或时间步长子步数或时间步长子步数或时间步长(续续续续)如果收敛顺利，自动时间步长控制将增加载荷增量。如果收敛顺利，自动时间步长控制将增加载荷增量。如果收敛困难，自动时间步长控制将二分或减少载荷如果收敛困难，自动时间步长控制将二分或减少载荷增量。增量。目标目标:指定一个优化的最大与最小子步数指定一个优化的最大与最小子步数 以允许自动时间步长算法基于求解历史，以允许自动时间步长算法基于求解历史，按照需要增加和按照需要增加和/或减少载荷增量。或减少载荷增量。子步数或时间步长(续)如果收敛顺利，自动时间步长控制将增加载XJTUXJTU二分时间步长二分时间步长二分时间步长二分时间步长当程序确定在当前子步内无法达到收敛的结果时，将二当程序确定在当前子步内无法达到收敛的结果时，将二分时间步长。分时间步长。二分时间步长提供了一种自动修复收敛二分时间步长提供了一种自动修复收敛失败的方法失败的方法。二分时，当前子步被放弃，时间步长减半，程序自动重二分时，当前子步被放弃，时间步长减半，程序自动重新开始求解。如果需要的话，求解可在给定时间步内重新开始求解。如果需要的话，求解可在给定时间步内重复二分过程，直到得到收敛的结果。复二分过程，直到得到收敛的结果。重复二分将导致时间步长越来越小。重复二分将导致时间步长越来越小。如果时间步长小于如果时间步长小于最小时间步长，则求解停止。（这表明结构不稳定或其最小时间步长，则求解停止。（这表明结构不稳定或其它现象。）它现象。）二分时间步长当程序确定在当前子步内无法达到收敛的结果时，将二XJTUXJTU“时间时间”t1t2载荷载荷t3t4L1L2L3L4LS1LS2LS3LS4ANSYS 在载荷步内对所有的子步线性插分载荷。在载荷步内对所有的子步线性插分载荷。对于简单的随对于简单的随时间变化的载荷，可使用多个载荷步定义载荷历程。时间变化的载荷，可使用多个载荷步定义载荷历程。E.E.定义载荷定义载荷定义载荷定义载荷“时间”t1t2载荷t3t4L1L2L3L4LS1LS2XJTUXJTU定义载荷定义载荷定义载荷定义载荷(续续续续)如果用多个载荷步进行分析，从一个载荷步到另一载荷步施加与改如果用多个载荷步进行分析，从一个载荷步到另一载荷步施加与改变载荷时需要注意一些问题。变载荷时需要注意一些问题。新施加的载荷在载荷步的开始点为新施加的载荷在载荷步的开始点为零，然后逐渐升高，在载荷步的结零，然后逐渐升高，在载荷步的结束点为全值。束点为全值。载荷载荷“时间时间”LS1LS2没有改变的载荷将保持它的值到下一没有改变的载荷将保持它的值到下一载荷步。载荷步。载荷载荷LS1LS2“时间时间”定义载荷(续)如果用多个载荷步进行分析，从一个载荷步到另一载XJTUXJTU定义载荷定义载荷定义载荷定义载荷(续续续续)载荷载荷“时间时间”LS1LS2载荷载荷“时间时间”LS1LS2当重新定义一个载荷时，它的值当重新定义一个载荷时，它的值是从上一载荷步结束点的值开始是从上一载荷步结束点的值开始逐渐增加。逐渐增加。当删除载荷时，载荷阶跃至零值。当删除载荷时，载荷阶跃至零值。通常不建议这样作；通常不建议这样作；较好的方法是较好的方法是在一个小的时间步增量中将载荷值在一个小的时间步增量中将载荷值逐渐减小至零。逐渐减小至零。删除载荷删除载荷重新施加重新施加定义载荷(续)载荷“时间”LS1LS2载荷“时间”LXJTUXJTU定义载荷定义载荷定义载荷定义载荷(续续续续)对于复杂的时间与载荷曲线，可使用对于复杂的时间与载荷曲线，可使用APDL通过表或数组参数的方通过表或数组参数的方式定义。式定义。“时间时间”待求解的问题使用了带多个子待求解的问题使用了带多个子步的一个载荷步。载荷将从子步的一个载荷步。载荷将从子步到子步进行线性插值。载荷步到子步进行线性插值。载荷增量大小可直接定义或由自动增量大小可直接定义或由自动时间步算法指定。时间步算法指定。载荷载荷子步子步F(t)定义载荷(续)对于复杂的时间与载荷曲线，可使用APDL通过表XJTUXJTU载荷定义的问题载荷定义的问题载荷定义的问题载荷定义的问题如果当载荷移走后，输入系统的能量能恢复，此系统是保守的。如果当载荷移走后，输入系统的能量能恢复，此系统是保守的。如果系统能量耗散了（例如塑性变形或滑动摩擦），则此系统如果系统能量耗散了（例如塑性变形或滑动摩擦），则此系统是非保守的。是非保守的。保守系统的分析是路径无关的；载荷可按任意顺序施加。保守系统的分析是路径无关的；载荷可按任意顺序施加。非保守系统的分析是路径相关的非保守系统的分析是路径相关的；必须依据实际的加载历史施必须依据实际的加载历史施加加。路径相关问题同样需要。路径相关问题同样需要缓慢加载缓慢加载（使用多个子步）。叠加（使用多个子步）。叠加原理不适用于路径相关问题。原理不适用于路径相关问题。载荷定义的问题如果当载荷移走后，输入系统的能量能恢复，此系统XJTUXJTU载荷定义的问题载荷定义的问题载荷定义的问题载荷定义的问题(续续续续)一个带塑性铰链的梁如下所示一个带塑性铰链的梁如下所示(一个非保守系统或路径相关系统的一个非保守系统或路径相关系统的例子例子)当求解路径相关问题时，需要当求解路径相关问题时，需要使用足够的载荷增量步数（多使用足够的载荷增量步数（多个子步）。另外，需要一个准个子步）。另外，需要一个准确的载荷历史。确的载荷历史。1 2 3 与与 1 3不同。不同。载荷定义的问题(续)一个带塑性铰链的梁如下所示(一个非保守系XJTUXJTUF.F.输出控制输出控制输出控制输出控制Solution Output Ctrls DB/Results File.此选项用于控制写此选项用于控制写入结果文件（入结果文件（jobname.rst）的）的内容与频率。内容与频率。注意缺省时，只有注意缺省时，只有载荷步的最后子步载荷步的最后子步写入结果文件。写入结果文件。F.输出控制Solution Output Ctrls XJTUXJTUG.G.监视文件监视文件监视文件监视文件监视文件监视文件(jobname.mntr)是在非线性求解过程中产生的，是在非线性求解过程中产生的，它可为查看求解收敛历史提供信息摘要。它可为查看求解收敛历史提供信息摘要。监视文件包含载荷步每一子步的信息；二分发生的监视文件包含载荷步每一子步的信息；二分发生的次数；使用的迭代次数，载荷增量，次数；使用的迭代次数，载荷增量，CPU时间，最时间，最大位移与最大等效塑性应变。大位移与最大等效塑性应变。监视文件包含的信息可用于调试分析过程。监视文件包含的信息可用于调试分析过程。G.监视文件监视文件(jobname.mntr)是在非线性求XJTUXJTULOAD SUB-NO.NO.TOTL INCREMENT TOTAL VARIAB 1 VARIAB 2 VARIAB 3STEP STEP ATTMP ITER ITER TIME/LFACT TIME/LFACT MONITOR MONITOR MONITOR FY MxDs MxPl 1 1 1 3 3 1.0000 1.0000 -222.25 -.900E-01 0.44557E-02 1 2 1 2 5 1.0000 2.0000 -225.39 -.18000 0.12632E-01 1 3 1 2 7 1.5000 3.5000 -229.30 -.31500 0.18422E-01 1 4 1 1 8 2.2500 5.7500 -234.55 -.51750 0.27567E-01 1 5 1 1 9 3.3750 9.1250 -242.38 -.82125 0.41447E-01 1 6 1 2 11 5.0000 14.125 -255.10 -1.2712 0.61834E-01 1 7 1 1 12 5.0000 19.125 -266.66 -1.7212 0.65103E-01 1 8 1 2 14 5.0000 24.125 -281.02 -2.1713 0.67789E-01 1 9 1 2 16 5.0000 29.125 -295.08 -2.6212 0.72824E-01 1 10 1 2 18 5.0000 34.125 -310.10 -3.0713 0.78528E-01 1 11 1 2 20 5.0000 39.125 -326.12 -3.5212 0.86029E-01 1 12 1 3 23 5.0000 44.125 -340.46 -3.9712 0.10108 1 13 1 2 25 5.0000 49.125 -356.76 -4.4213 0.12270 LOAD SUB-NO.NO.TOTL IXJTUXJTU监视文件监视文件监视文件监视文件(续续续续)如果一个载荷步的第一子步进行了多次时间步二分，则如果一个载荷步的第一子步进行了多次时间步二分，则说明初始时间步长太大。指定一个更大的子步数或更小说明初始时间步长太大。指定一个更大的子步数或更小的初始时间步。的初始时间步。如果任一子步都需要进行多次时间步二分，你可能需要如果任一子步都需要进行多次时间步二分，你可能需要增加最大子步数或减少最小时间步长。增加最大子步数或减少最小时间步长。你也可在监视变量达到一特定值时退出求解。（例如，你也可在监视变量达到一特定值时退出求解。（例如，节点位移超过一定值时。）节点位移超过一定值时。）监视文件(续)如果一个载荷步的第一子步进行了多次时间步二分XJTUXJTU监视文件监视文件监视文件监视文件(续续续续)在监视文件的最后三列的变量在监视文件的最后三列的变量1、2和和3，缺省为，缺省为CPU时间，时间，最大位移与最大塑性应变。你也可重新定义变量最大位移与最大塑性应变。你也可重新定义变量1、2和和3，以监视节点位移或反作用力。，以监视节点位移或反作用力。Solution result tracking 监视文件(续)XJTUXJTUH.H.保存数据与求解保存数据与求解保存数据与求解保存数据与求解在进行非线性求解前，保存带有载荷信息的数据库是一在进行非线性求解前，保存带有载荷信息的数据库是一个好的习惯。如果需要重新启动求解，将需要一个数据个好的习惯。如果需要重新启动求解，将需要一个数据库的拷贝，其中包含你希望重启动的载荷步定义的载荷。库的拷贝，其中包含你希望重启动的载荷步定义的载荷。（在后面的重启动求解中有更详细的信息。）在后面的重启动求解中有更详细的信息。）求解当前载荷步。求解当前载荷步。H.保存数据与求解在进行非线性求解前，保存带有载荷信息的数据XJTUXJTU7 7）高级求解控制）高级求解控制）高级求解控制）高级求解控制下面的下面的高级求解控制高级求解控制 将用于重新定义由求解控制激活的将用于重新定义由求解控制激活的缺省设置：缺省设置：方程求解器方程求解器 关闭自动时间步关闭自动时间步 平衡迭代数平衡迭代数 收敛判据收敛判据 7）高级求解控制下面的高级求解控制 将用于重新定义由求解控XJTUXJTU高级求解控制高级求解控制高级求解控制高级求解控制(续续续续)下面的下面的高级求解控制高级求解控制 不常用于重新设置由求解控制激活不常用于重新设置由求解控制激活的缺省值：的缺省值：Newton-Raphson 选项选项 线性搜索线性搜索 预测预测 自适应下降自适应下降 关闭应力刚化关闭应力刚化 二分控制二分控制 求解结束控制求解结束控制高级求解控制(续)下面的高级求解控制 不常用于重新设置由求XJTUXJTU方程求解器方程求解器方程求解器方程求解器如果是梁如果是梁/壳模型，或梁壳模型，或梁/壳壳/实体模型，使用实体模型，使用sparse 求解器求解器。如果是三维实体模型（如果是三维实体模型（Solid92 或或 Solid45），自由度数相对较），自由度数相对较大（大（100,000），使用），使用PCG 求解器求解器。如果是病态问题，或单元刚度矩阵带宽大（包含在输出文件中），如果是病态问题，或单元刚度矩阵带宽大（包含在输出文件中），使用使用sparse 求解器求解器。如果是非对称矩阵，使用如果是非对称矩阵，使用sparse 求解器求解器。注意注意:如果可使用并行处理，波前求解器可能比如果可使用并行处理，波前求解器可能比sparse 求解器速求解器速度快，因为波前求解器对并行计算进行了优化。度快，因为波前求解器对并行计算进行了优化。方程求解器如果是梁/壳模型，或梁/壳/实体模型，使用sparXJTUXJTU关闭自动时间步关闭自动时间步关闭自动时间步关闭自动时间步Solution Time/Freq Time and Substps.缺省时，自动时间步是打缺省时，自动时间步是打开的，并且这通常是最有开的，并且这通常是最有效的选项。效的选项。也可关闭自动时间步，并也可关闭自动时间步，并指定统一的子步数。指定统一的子步数。关闭自动时间步Solution Time/Freq XJTUXJTU平衡迭代数平衡迭代数平衡迭代数平衡迭代数Solution Nonlinear Equil Iter.缺省时求解控制使用的迭代数为一介于缺省时求解控制使用的迭代数为一介于15和和26之间的值，这取决之间的值，这取决于问题的特性。（其思路是使用小于平方迭代收敛速度的小载荷于问题的特性。（其思路是使用小于平方迭代收敛速度的小载荷增量。）增量。）对于接触问题，可能需要增加迭代数对于接触问题，可能需要增加迭代数平衡迭代数Solution Nonlinear EqXJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据缺省时，缺省时，ANSYS将检查力和力矩不平衡量的将检查力和力矩不平衡量的L2范数是否等于加范数是否等于加载力的载力的L2范数的范数的0.5%。双重检查收敛时，双重检查收敛时，ANSYS将检查位移的将检查位移的L2范数。范数。残差的残差的L1 L1 范数范数:|R|R|1 1=S S|R|Ri i|残差的残差的L2(SRSS)L2(SRSS)范数范数:|R|R|2 2=(=(S SR R2 2i i)1/21/2 残差的无限范数残差的无限范数:|R|R|=max(|R=max(|Ri i|)|)如果明确重定义了收敛判据，缺省判据将被覆盖。如果重新如果明确重定义了收敛判据，缺省判据将被覆盖。如果重新定义了力的判据，将不得不增加位移检查。定义了力的判据，将不得不增加位移检查。记住应该总是定义力的收敛检查，因为它是平衡的度量。记住应该总是定义力的收敛检查，因为它是平衡的度量。收敛判据缺省时，ANSYS将检查力和力矩不平衡量的L2范数是XJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据(续续续续)收敛范数收敛范数L1，L2，无限无限L1范数范数 是用不平衡量绝对值的和与收敛判据作对比。是用不平衡量绝对值的和与收敛判据作对比。L2范数范数（缺省）用力不平衡量的（缺省）用力不平衡量的 SRSS（平方和的平方根）。平方和的平方根）。无限范数检查所有自由度的最大不平衡量。（此选项的作用是为无限范数检查所有自由度的最大不平衡量。（此选项的作用是为收敛独立检查模型的每个自由度。）收敛独立检查模型的每个自由度。）收敛判据(续)收敛范数L1，L2，无限XJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据(续续续续)Soln controls Nonlinear Convergence Crit.收敛判据(续)Soln controls NonlinXJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据(续续续续)VALUE，TOLER与与 MINREF 参数参数在检查收敛情况时，力的不平衡量是与在检查收敛情况时，力的不平衡量是与 VALUE*TOLER作比较。作比较。缺省时，缺省时，VALUE 为施加载荷的为施加载荷的SRSS。通常的做法是通过调整通常的做法是通过调整TOLER 改变收敛判据，而让改变收敛判据，而让VALUE 保持为缺省值。保持为缺省值。MINREF 代表代表VALUE 参数的最小可能值。参数的最小可能值。MINREF（缺省为缺省为0.001）将代表数值上的零。如果将代表数值上的零。如果 MINREF 设设置为置为-1，无最小值限制。无最小值限制。收敛判据(续)VALUE，TOLER与 MINREF 参数XJTUXJTU收敛判据收敛判据收敛判据收敛判据(续续续续)使用使用“松松”的收敛判据并不是收敛困难的解决办法！（它有可的收敛判据并不是收敛困难的解决办法！（它有可能导致程序能导致程序“收敛收敛”到一个不正确的结果！）到一个不正确的结果！）如果想使用如果想使用“紧紧”的收敛判据以提高结果精度，则需要更多次的的收敛判据以提高结果精度，则需要更多次的平衡迭代。如果想使用平衡迭代。如果想使用“紧紧”的收敛判据，可改变的收敛判据，可改变TOLER的阶的阶数，减小数，减小1或或2阶。阶。收敛判据(续)使用“松”的收敛判据并不是收敛困难的解决办XJTUXJTUNewton-Raphson Newton-Raphson 选项选项选项选项缺省时求解控制使用全缺省时求解控制使用全Newton-Raph