《ANSYS非线性分析指南》.pdf

ANSYS 线形分析指南 基本过程 非线性结构分析 非线性结构的定义 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。（看图1─1 （a ））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。（看图1─1 （b ））。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的啬而变化。 （看图1─1 （c ））如果将上面例 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. 图1─1 线性结构行为的普通例 非线性行为的原因 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） 许多普通结构的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 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 线性地响应。一个例的垂 向刚性）。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。 第1页 ANSYS 线形分析指南 基本过程 图1─2 钓鱼杆示范几何 线性 材料非线性 非线性的应力──应变关系是结构非线性名的常见原因。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）。 牛顿一拉森方法 ANSYS 程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应。然而， 线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示。需要一系列的带校正的线性近似来 求解非线性问题。 逐步递增载荷和平衡迭代 一种近似的非线性救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 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增量之 前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的 线性变化。遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免地 随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终 失去平衡，如图1─3 （a ）所示所示。 . （a ）纯粹增量式解 （b)全牛顿－拉普森迭代求解 （2 个载荷增量） 图8─3 纯粹增量近似与牛顿－拉普森近似的关系。 ANSYS 程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的 末端解达到平衡收敛 （在某个容限范围内）。图1─3 （b)描述了在单自由度 线性分析中牛顿 －拉普森平衡迭代的使用。在每次求解前，NR 方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力 （对 应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值。程序然后使用 平衡载荷进行线性求解，且核查 收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算 平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种 迭代过程直到问题收敛。 ANSYS 程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降，线性有哪些信誉好的足球投注网站，自动载 荷步，及二分等，可被激活来加强问题的收敛性，如果不能得到收敛，那么程序或者继续计 算下一个载荷前或者终止 （依据你的指示）。 第2页 ANSYS 线形分析指南 基本过程 对某些物理意义上不稳定系统