ANSYS结构非线性分析指南第六章.docx

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ANSYS结构非线性分析指南第六章

第六章单元非线性与单元死活

6.1单元非线性

单元非线性指的是ANSYS中的一些特殊非线性单元在状态改变时表现出的刚度突变的行为。

例如，当缆索松弛的时候，它的总体刚度会突变为零，当分离的物体接触时，它们的整体刚度会急剧变化。

这些以及其它一些状态相关的刚度变化可以用非线性单元（如下所列）、单元死活选项（见§6.2）或修改材料特性（MPCHG）来模拟。

下面列出了ANSYS中的非线性单元，其中有些单元只可在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structure产品中使用。

关于非线性单元的详细说明参见《ANSYSElementReference》。

COMBIN7

COMBIN14

COMBIN37

COMBIN39

COMBIN40

CONTAC12andCONTAC52

CONTAC26

CONTAC48andCONTAC49

TARGE169,TARGE170,CONTA171,CONTA172,CONTA173,andCONTA174

LINK10

SHELL41

SOLID65

6.2单元死活

6.2.1单元死活的定义

　当系统中添加（或删除）材料时，在模型中某些单元可能变为“存在”（或不存在）。

在此情况下，我们可以使用单元的死活选项来使单元死或活。

单元的这种死活特性在许多分析中是十分有用的，例如采矿、开挖隧道、建桥系列装配等等。

只有在产品ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中，我们才能使用单元的这种死活选项。

　　在有些情况下，单元的死活状态依赖于ANSYS程序的计算结果量，例如温度、应力、应变等等。

我们可以使用命令ETABLE和ESEL来定义所选单元的些结果量和改变这些单元的状态（熔化、凝固、断裂）。

　　此过程对于模拟相变的影响、失效面的传播和其它与分析结果有关的单元状态变化是有用的（例如：

在焊接过程中，当熔化的材料凝固时，相应单元应被激活）。

6.2.2单元死活选项的作用原理

　　为了取得让单元死掉的效果，ANSYS程序并不是真正移走“死”单元，而是通过用一个很小的因子乘以它们的刚度（使用命令ESTIF来设置，此因子的缺省值为1.0e-6）来实现，在载荷矢量中，和这些“死”单元相联系的单元载荷（压力、热通量、热应变等等）也被设置为0，与此相似，对于“死”单元，质量，阻尼，比热和其它的类似影响也被设置为零。

当单元“死掉”的时候，单元的应变被设置为零。

　　与此相似，当单元“活”的时候，它们也不是真正的被添加到模型中去，而只是一种简单的重新激活，在前处理期间，我们必须定义所有的单元，包括那些在以后的分析中将会变“活”的单元。

在求解期间，我们不能建立任何新单元，为了“添加”新单元，首先必须先让它们“死掉”，然后在合适的载荷步中重新激活它们。

当单元被重新激活时，它的刚度，质量和单元载荷等返回到原始值，但没有应变历史的记录，然而以实常数形式定义的初始应变（例如对于单元Link1）则不受单元死活选项的影响。

当大变形效应开关被打开时（NLGEOM，ON），为了与当前的结点位置相匹配，单元的形状被改变。

当不使用大变形效应时，单元将在原始位置被激活，如果有热体载荷，单元在重新激活后的第一次求解期间，将会产生热应变（

）。

6.2.3怎样使用单元的死活特性

　　在大多数静态和非线性瞬态分析中，都可以使用单元的死活行为，与其它分析一样，这个过程也包括三个主要步骤：

建模

加载并求解

查看结果

6.2.3.1建模

　　创建所有单元，包括那些刚开始时“死掉”，而在以后的载荷步中变“活”的单元，不能在开始求解以后再创建新单元。

6.2.3.2加载并求解

　　在求解过程中，执行下列操作：

1．定义第一个荷载步

　　在第一个载荷步中，我们必须选择分析类型和适当的分析选项。

对于结构分析，应该打开大应变效应，当要使用单元的死活行为时，我们必须在第一个载荷步中明确设置牛顿－拉普森选项，因为程序不能预测“EKILL”命令在以后载荷步中的出现。

　　在第一个载荷步中，我们应该“杀死”那些开始时“死掉”而在以后的载荷步中“活”的单元。

　　命令：

EKILL

　　单元在载荷步的第一个子步中被“杀死”或“激活”后，将在整个载荷步中保持此状态。

　　应该注意，缺省的刚度缩减因子对有些问题并不合适。

有时，我们有时需要考虑使用一个更小的刚度缩减因子。

　　命令：

ESTIF

　　与任何“活”单元都无联系的结点可以“漂动”。

有时，为了减少求解的方程数和避免病态条件，我们想将“死”自由度约束住，当我们想用指定的形状（或温度等）来激活单元时，约束“死”自由度则显得更为重要。

当然，当单元变“活”时，我们必须删除这些人为的约束，我们必须删除“死”自由度的结点载荷，与此相似，当单元变“活”时，我们必须加上结点载荷。

　　对于第一个载荷步，命令流输入的样板如下：

Time,

NLGEOM,ON

NROPT,FULL

ESTIF,

ESEL,

EKILL,

ESEL,S,LIVE

NSLE,S

NSEL,INVE

D,ALL,ALL,0

NSEL,ALL

ESEL,ALL

D,

F,

SF,

BF,

SAVE

SOLVE

2．余下的荷载步

　　在余下的载荷步中，我们可以按所期望的让单元“死”和“活”，与第一个载荷步一样，必须保证施加和删除了适当的约束和结点载荷。

　　命令流输入模板如下：

Time,

Esel,

Ekill,

Esel,

Ealive,

Fdele,

D,

F,

Ddele,

Save

Solue

6.2.3.3查看结果

对大多数情况来说，包括单元死活行为分析的后处理过程与标准后处理过程相同，然而，我们应该认识到：

虽然“死”单元对刚度矩阵的贡献很小，但仍然保留在模型中。

因此，在单元的显示结果输出中仍包含“死”单元。

当进行单元显示和后处理操作时，我们建议使用“Esel”命令来移走“死”单元。

　　使用ANSYS的计算结果控制单元的死活。

　　有时，我们并不能明确地知道需要“死掉”或“变活”的单元所处的位置。

例如，在热分析中，我们想“杀死”已经熔化的单元（模拟移走已熔材料），然而我们预先并不知道这些单元的位置，我们必须以程序的计算温度为基础来判断。

当单元的死活依赖于计算结果量时（例如、温度应力、应变等等），我们必须使用命令来判断和选择临界单元。

　　为了判断临界单元，我们使用下面的方法

　　命令：

ETABLE

　　GUI:

Main　Menu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable

　　使用选择命令来选择临界单元

　　命令：

ESEL

　　下面是一个以计算结果为基础来让单元死活的命令流：

/Solu

Solve

Fini

/post1

set,

ETABLE,strain,Epto,EQV　　!

将总的等效应变存储在单元表中

Esel,s,etab,strain,0.20　　　　!

选择总的应变大于等于0.2的总有单元。

Finish

/solu

Antype,,rest

Ekill,all

Esel,all

6.2.3.4使用死活行为的一些注意点

约束方程不能施加在“死”自由度上

我们可以通过单元的死活来模拟应力消退热处理（例如退火）

在非线性分析中，当心不要让单元的死活创造奇异点（例如尖的再生角）和突然极大地改变刚度，因为这样可能导致收敛困难。

如果除了死活单元以外，模型是完全线性的（没有接触或其它非线性单元，材料是线性），那么ANSYS将分析按线性对待，将不设置SOLUTION,ON

打开自适应下降因子的全牛顿－拉普森选项通常产生更好的结果

可以通过一个参数的值来表示单元的死活（*get,par,elem,n,attr,live）。

这便于以后进行和单元的死活有关的操作。

当有单元的死活行为时，求解多个载荷步的载荷步文件方法（lswrite）不能使用，因为载荷步文件不能记录单元的死活状态。

6.3实例－死活单元

6.3.1问题描述

在这个实例中，我们将进行一个单元死活的分析。

两块厚钢板通过双V形坡口焊缝对焊在一起，我们感兴趣的是钢板中的残余应力。

由于对称性，我们只对一块板作有限元分析。

6.3.2问题详细说明

材料性质：

温度

100

1000

2400

2700

3000

弹性模量

30e6

30e6

10e6

5e6

0.2e6

屈服应力

36000

36000

5000

1000

500

切向应力

1e6

1e6

1e6

0.5e6

0.1e6

图6-1问题描述图

6.3.3分析步骤（GUI方法）

步骤一：

建立计算所需要的模型。

　　在这一步中，建立计算分析所需要的模型，包括定义单元类型，划分网格，给定边界条件。

并将数据库文件保存为“birth.db”。

在此，对这一步的过程不作详细叙述。

步骤二：

恢复数据库文件“birth.db”

UtilityMenu>File>Resumefrom

步骤三：

定义随温度而变化的弹性模量。

1、选“MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”。

出现“DefineMaterialModelBehavior”对话框。

2、选择MaterialModelNumber1，在“MaterialModelsAvailable”窗口，双击“Structural->Linear->Elastic->Isotropic”。

出现一个对话框。

3、连续单击AddTemperature按钮四次，在Temperatures一行的T1至T5依次输入100,1000,2400,2700,3000。

在EX一行依次输入相应的弹模30e6,30e6,10e6,5e6,0.2e6，单击OK。

4、选择MaterialModelNumber2，其余部分输入与MaterialModelNumber1相同。

5、选择MaterialModelNumber3，其余部分输入与MaterialModelNumber2相同。

步骤四：

定义并输入双线性随动强化数据表（BKIN）

1、选择MaterialModelNumber1，在“MaterialModelsAvailable”窗口，双击“Structural->Nonlinear->Inelastic->RateIndependent->KinematicHardeningPlasticity->MisesPlasticity->Bilinear，出现对话框。

2、连续单击AddTemperature按钮四次，在Temperatures一行的T1至T5依次输入100,1000,2400,2700,3000，在YieldStss一行中，依次输入36000，36000，5000，1000，500，在TangMods一行中，依次输入1e6,1e6,1e6,0.5e6,0.1e6。

单击OK。

3、选择MaterialModelNumber2，其余部分输入与MaterialModelNumber1相同。

4、选择MaterialModelNumber3，其余部分输入与MaterialModelNumber2相同。

5、退出“DefineMaterialModelBehavior”对话框。

步骤五：

进入求解器

选择菜单路径MainMenu>Solution。

步骤六：

定义分析类型并关闭瞬态效应

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>-AnalysisType-NewAnalysis.

2、单击“Transient”来选中它，然后单击OK，接受接下来的缺省设置，单击OK。

3、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>>TimeIntegration。

瞬态效应对话框出现。

4、将瞬态效应的ForstructuralDOFs,ForthermalDOFs,FormagneticDOFs都设置为off。

5、单击OK。

步骤七：

设置输出控制。

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Outputctrls>SoluPrintout。

对话框出现。

2、将Item设置为Basicquantities,将FREQ设置为Lastsubstep，单击OK。

3、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Outputctrls>DB/ResultsFile。

ControlsforDatabaseandResultsFileWriting（对数据库和结果文件写入的控制）对话框出现。

4、将FREQ设置为“Everysubstep”，单击OK。

步骤八：

设置载荷步选项

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>Timeandsubstps。

TimeandSubstepOption（时间和子步数选项）对话框出现。

2、对timeatendofLoadStep（载荷步终止时间）键入1

3、对Numberofsubsteps（子步数）键入1。

4、将KBC设置为Stepped。

5、将AUTOTS设置为ON，单击OK。

步骤九：

设置收敛性控制

1、择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Nonlinear>ConvergenceCrit-Static，对话框出现。

2、单击Replace,下一级对话框出现。

3、将Lab设置为StructuralForce,单击OK。

。

2、单击Add,下一级对话框出现。

4、将Lab设置为ThermalHeatflow，单击OK。

步骤十：

对第一个载荷步加载

　　将附在单元1,3,5上的结点的温度指定为3000,将其余结点的温度指定为100。

其菜单操作请参考命令流文件，在此不作详述。

步骤十一：

求解第一个载荷步。

步骤十二：

让焊缝所在位置的单元“死掉”

1、选择菜单路径Mainmenu>solution-LoadStepOpts->other>-Birth&Death->KillElement，拾取菜单出现。

2、拾取单元1到单元10共十个单元，然后单击OK。

步骤十三：

设置第二个载荷步的载荷步选项

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>Timeandsubstps。

TimeandSubstepOption（时间和子步数选项）对话框出现。

2、对timeatendofLoadStep（载荷步终止时间）键入2,单击OK。

步骤十四：

求解第二个载荷步

步骤十五：

打开瞬态效应

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>>TimeIntegration。

对话框出现。

2、将ForthermalDOFs设置为on，单击OK。

步骤十六：

设置第三个载荷步的载荷步选项

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>Timeandsubstps。

TimeandSubstepOption（时间和子步数选项）对话框出现。

2、对timeatendofLoadStep（载荷步终止时间）键入30,单击OK。

3、对Numberofsubsteps（子步数）键入20。

并单击OK。

步骤十七：

设置输出控制。

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Outputctrls>SoluPrintout。

对话框出现。

2、将Item设置为AllItems,将FREQ设置为Everysubstep，单击OK。

3、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Outputctrls>DB/ResultsFile。

ControlsforDatabaseandResultsFileWriting（对数据库和结果文件写入的控制）对话框出现。

4、将FREQ设置为“Everysubstep”，单击OK。

步骤十八:

删除适当结点的温度自由度。

　　在这一步中首先选择材料类型为2的所有单元，再选择附在这些单元上的结点，然后再删除当前所有结点的温度。

接着选择单元3，然后选择附在单元3上的结点，再删除当前所有结点的温度。

此步的详细过程请参考命令流文件，在此不作详述。

步骤十九：

让适当的单元变“活”

1、选择菜单路径Utility>Select>Everything。

2、选择菜单路径Mainmenu>solution-LoadStepOpts->other>-Birth&Death->ActivateElement，拾取菜单出现。

3、拾取单元3和单元8，然后单击OK。

步骤二十：

给第三个载荷步施加适当的边界条件。

　　根据所给条件，施加适当的边界条件。

此步的详细过程请参考命令流文件，在此不作详述。

步骤二十一：

求解第三个载荷步

步骤二十二：

删除附在单元1和单元3上的所有结点的温度自由度。

　　此步的详细过程请参考命令流文件，在此不作详述。

步骤二十三：

让焊缝下部分的单元变“活”。

1、选择菜单路径Utility>Select>Everything。

2、选择菜单路径Mainmenu>solution-LoadStepOpts->other>-Birth&Death->ActivateElement，拾取菜单出现。

3、拾取单元1、2和单元6、7，然后单击OK。

4、选择菜单路径Utility>Select>Everything。

步骤二十四：

设置第四个载荷步的载荷步选项

1、选择菜单路径MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>Loadstepopts-Time/Frequenc>Time-TimeStep。

TimeandTimeStepOptions对话框出现。

2、对timeatendofLoadStep（载荷步终止时间）键入300。

3、对DELTIM输入10。

4、将AUTOTS设置为ON。

5、对Minimumtimestepsize输入5，对Maximumtimestepsize设置为30，单击OK。

步骤二十五：

求解第四个载荷步

步骤二十六：

删除所有结点的温度自由度

　　此步的详细过程请参考命令流文件，在此不作详述。

步骤二十七：

让所有的单元变“活”

1、选择菜单路径Utility>Select>Everything。

2、选择菜单路径Mainmenu>solution-LoadStepOpts->other>-Birth&Death->ActivateElement，拾取菜单出现。

3、拾取单元4、5和单元9、10，然后单击OK。

步骤二十八：

求解第五个载荷步

步骤二十九：

进行后处理。

6.3.4分析步骤（命令流方法）

fini

/cle

!

/batch,list

/prep7

/title,weldanalysisusing"birthanddeath"

et,1,13,4

et,2,13,4

mp,kxx,1,.246e-3

mp,kxx,2,.246e-3

mp,kxx,3,.246e-3

mp,c,1,.2

mp,c,2,.2

mp,c,3,.2

mp,dens,1,.2833

mp,dens,2,.2833

mp,dens,3,.2833

mp,alpx,1,6.5e-6

mp,alpx,2,6.5e-6

mp,alpx,3,6.5e-6

mp,murx,1,1

mp,murx,2,1

mp,murx,3,1

mp,reft,1,3000

mp,reft,2,1550

mp,reft,3,100

n,1

n,2,,.39

n,3,,.41

n,4,,.79

n,5,,.81

n,6,,1.2

n,7,.2

n,8,.1,.39

n,9,.1,.41

n,10,.1,.79

n,11,.1,.81

n,12,.2,1.2

n,13,.22

n,14,.12,.40

n,15,.12,.80

n,16,.22,1.2

n,17,.6

n,18,.6,.4

n,19,.6,.8

n,20,.6,1.2

ngen,10,4,17,20,1,.6

type,1

mat,1

e,1,7,8,2

egen,5,1,-1

mat,2

e,7,13,14,8

e,8,14,9,9

e,9,14,15,10

e,10,15,11,11

e,11,15,16,12

type,2

mat,3

e,13,17,18,14

egen,3,1,-1

egen,10,4,-3

d,1,ux,0

d,2,ux,0

d,3,ux,0

d,4,ux,0

d,5,ux,0

d,6,ux,0

nsel,s,loc,x,6

nsel,r,loc,y,0

d,all,uy,0

nsel,all

d,all,az

save,birth,db

resum,birth,db

mptemp,1,100,1000,2400,2700,3000

mpdata,ex,1,1,30e6,30e6,10e6,5e6,.2e6

mpdata,ex,2,1,30e6,30e6,10e6,5e6,.2e6

mpdata,ex,3,1,30e6,30e6,10e6,5e6,.2e6

tb,bkin,1,5

tbtemp,100

tbdata,1,36000,1e6

tbtemp,1000

tbdata,1,36000,1e6

tbtemp,2400

tbdata,1,5000,1e6

tbtemp,2700

tbdata,1,1000,.5e6

tbtemp,3000

tbdata,1,500,.1e6

tbcopy,bkin,1,2

tbcopy,bkin,1,3