ANSYS非线性命令解析.docx

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ANSYS非线性命令解析

ANSYS非线性命令解析

（1）

ANSYS应用基于问题物理特性的自动求解控制方法，把各种非线性分析控制参数设置到合适的值。

如果用户对这些设置不满意，还可以手工设置。

下列命令的缺省设置已进行了优化处理：

AUTOTSPREDMONITOR

DELTIMNROPTNEQIT

NSUBSTTINTPSSTIF

CNVTOLCUTCONTROLKBC

LNSRCHOPNCONTROLEQSLV

ARCLENCDWRITELSWRITE

这些命令及其设置在将在后面讨论。

参见《ANSYSCommandsReference》。

如果用户选择自己的设置而不是ANSYS的缺省设置，或希望用以前版本的ANSYS的输入列表，则可用/SOLU模块的SOLCONTROL，OFF命令，或在/BATCH命令后用/CONFIG，NLCONTROL，OFF命令。

参见SOLCONTROL命令的详细描述。

ANSYS对下面的分析激活自动求解控制

单场的非线性或瞬态结构以及固体力学分析，在求解自由度为UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的结合

时；

单场的非线性或瞬态热分析，在求解自由度为TEMP时；

注意--本章后面讨论的求解控制对话框，不能对热分析做设置。

用户必须应用标准的ANSYS求解命令或GUI来设置。

2.2非线性静态分析步骤

尽管非线性分析比线性分析变得更加复杂，但处理基本相同。

只是在非线形分析的过程中，添加了需要的非线形特性。

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，处理流程主要由以下主要步骤组成：

建模；

设置求解控制；

设置附加求解控制；

加载；

求解；

考察结果。

2.2.1建模

这一步对线性和非线性分析基本上是一样的，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，参考§4《材料非线性分析》，和§6.1《单元非线性》。

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。

参见《ANSYSModelingandMeshingGuide》。

在ANSYS中建立了模型后，应该设置求解控制（分析类型、分析选项、荷载步等）选项，施加荷载，最后求解。

非线性分析与线性分析的不同之处是，前者需要许多荷载增量，并且总是需要平衡迭代。

下面讨论一般过程。

参见本章的例子。

2.2.2设置求解控制

设置求解控制包括定义分析类型、设置分析的常用选项和指定荷载步选项。

在做结构非线性静态分析时，可以应用求解控制对话框来设置。

该对话框对许多非线性静态分析提供了缺省设置。

这样，用户需要的设置降低到最少。

求解控制框的缺省设置，基本上与§2.1所述的自动求解控制的设置相同。

由于求解控制对话框是非线性静态分析的推荐工具，我们在下面将详细论述，如用户不想用这个对话框（GUI：

MainMenu>Solution>-AnalysisType-Sol"nControl），可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单（GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>option）。

求解控制对话框的概况，见《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.11。

注意--对于非线性结构完全瞬态分析，建议应用求解控制对话框，但并不是必须如此，见§2.3。

2.2.2.1求解控制对话框—进入

选择（GUI：

MainMenu>Solution>-AnalysisType-Sol"nControl）进入求解控制对话框。

下面几节将论述这个求解对话框中的内容。

对于其详细说明，可以在相应标签下，按HELP按钮进入帮助系统。

2.2.2.2求解控制对话框--Basic标签

求解控制对话框共有五个标签，其中最基本的选项位于第一个标签上，其他标签依此提供更高级的控制。

进入对话框后，缺省的标签就是Basic标签。

Basic标签中的内容，提供了ANSYS分析所需要的最少设置。

如果用户对Basic标签中的设置满意，就不必调整其他标签中的更高级的设置。

在按OK按钮以后，设置才作用于ANSYS数据库，并关闭对话框。

可用的Basic标签选项见表2-1。

按HELP可得更多的说明。

表2-1

选项

参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》

指定分析类型[ANTYPE,NLGEOM]

§1.2.6.1

§3.16

控制时间设置，包括:

荷载步末的时间[TIME],自动时间步[AUTOTS],

一个荷载步中的子步数[NSUBST或DELTIM]

§2.4

§2.7.1

指定写入数据库中的结果数据[OUTRES]

§2.7.4

在非线性静态分析中的一些特殊考虑如下：

1、在设置ANTYPE和NLGEOM时，如果是执行新的分析，选择"LargeDisplacementStatic"，但要记住并不是所有的非线性分析都产生大变形，见§3。

如果想重启动一个已失败的非线性分析，选择"RestartGurrentAnalysis"。

在第1荷载步以后（即在首次运行SOLVE命令后），用户不能改变这个设置。

通常用户要作一个新的分析，而不是重启动分析。

重启动分析的讨论见《ANSYSBasicAnalysisGuide》。

2、在进行时间设置时，记住这些选项可在任何荷载步改变。

参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2。

高级的时间/频率选项，参见§2.2.2.8。

非线性分析要求在一个时间步上有多个子步，以使ANSYS能够逐渐地施加荷载，并取得精确解。

NSUBST和DELTIM命令产生相同的效果（建立荷载步的开始、最小和最大时间步），但互为倒数。

NSUBST定义一个荷载步上的子步数，而DECTIM显式地定义时间步大小。

如果自动时间步[AUTOTS]关闭，则起始子步大小用于整个荷载步。

3、OUTRES控制结果文件（Jobname.RST）中的数据。

缺省时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。

结果文件只能写入1000个结果集（子步），但用户可以用/CONFIG，NRES命令来增大这一限值，参见《ANSYSBasicAnalysisGuide》。

2.2.2.3求解控制对话框--Transient标签

这个标签的内容是瞬态分析控制，只有在Basic标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，否则呈灰色。

所以在这里不论述，参见§2.3。

2.2.2.4求解控制对话框--Sol"nOptions标签

这个标签设置的选项见表2-2。

按本标签的HELP可得到更多的说明。

表2-2

选项

参见

指定方程求解器[EQSLV]

§2.2.2.7.1

《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.2-§3.10

对多重启动指定参数[RESCONTROL]

《ANSYSBasicAnalysisGuide》§3.16.2

2.2.2.5求解控制对话框--Nonlinear标签

用Nonlinear标签设置的选项见表2-3。

按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。

表2-3

选项

参见

激活线性搜索[LNSRCH]

§2.2.2.8.5

§2.4

激活自由度求解预测[PRED]

§2.2.2.8.4

指定一个荷载步中的最大子步数

[NEQIT]

§2.2.2.8.3

指定是否需要包括蠕变计算[RATE]

§4.4

§2.2.3.2.1

设置收敛准则[CNVTOL]

§2.2.2.8.2

控制二分[CUTCONTROL]

§2.2.2.8.6

2.2.2.6求解控制对话框--AdvancedNL标签

用AdvancedNL标签设置的选项见表2-4。

按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。

表2-4

选项

参见

指定分析终止准则[NCNV]

§2.2.2.8.3

激活和终止弧长法的控制

[ARCLEN,ARCTRM]

§2.4

《ANSYSBasicAnalysisGuide》§2

2.2.2.7求解控制对话框--设置其他高级分析选项

2.2.2.7.1方程求解器

ANSYS的自动求解控制在大多数情况下，激活稀疏矩阵直接求解器（EQSLV，SPARSE）。

这是缺省的求解器，除了在子结构分析的生成步骤外（这时用波前直接求解器）。

其他选项包括波前直接求解器和PCG求解器。

对于实体单元（如SOLID92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SOLID92单元，触发单元方法。

为了应用这一命令，必须是小应变（NLGEOM,OFF）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%的内存，但求解时间可能增加，这与计算机的配置和CPU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--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查外，还进行TOLER等于5%的位移L2-范数的检查。

缺省时，程序将通过比较不平衡力的平方和的平方根（SRSS）与VALUE×TOLER的值来检查力（在包括转动自由度时，还有力矩）的收敛。

VALUE的缺省值是所加载荷（或在施加位移时，Netwton-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，TOLER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（Δu）上，Δu=ui-ui-1。

注意─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查，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－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（VALUE×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－自由度检查；

L1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，10，0.001，2

2.2.2.8.3平衡迭代的最大次数

ANSYS的自动求解控制把NEQIT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NCNV命令中发出的指示。

2.2.2.8.4预测─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

ANSYS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[NROPT]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

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。

对于二阶动力方程，每个周期的点数（Lab=NPOINT），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。

2.2.3.1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、分叉行为，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《ANSYSElementsReference》。

命令：

SSTIF

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions

2.2.3.1.2牛顿－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－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

GUI：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions

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－拉普森方法将自动激活自适应下降。

·完全牛顿－拉普森法（NROPT,FULL）；程序使用完全的牛顿－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《ANSYSElementReference》中由单元输入汇总表中的“SpecialFeatures”指明的单元（见《ANSYSElementReference》表4.n.1，其中n为单元编号）。

·修正的牛顿－拉普森法（NROPT,MODI）：

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。

自适应下降不可用。

·初始刚度牛顿－拉普森法（NROPT,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－拉普森方法（NROPT,UNSYM）：

应用完全牛顿－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SOLCONTROL,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,UNSYM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NROPT,FULL命令；然后如果收敛困难的话，再试验NROPT,UNSYM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－拉普森选项设置如何。

2.2.3.2求解控制对话框不能设置的高级荷载步选项

2.2.3.2.1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Δεcr）对弹性应变εel的比值。

如果最大比值比判据CRCR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（OPTION=0），如果比值Δεcr/εel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（OPTION=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：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts-

Nonlinear>CreepCriterion

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：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts-

Nonlinear>OpenControl

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：

MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>-LoadStepOpts-Nonlinear>Monitor

2.2.3.2.4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”[EKILL]和“激活”[EALIVE]，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：

EKILL

EALIVE

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Other>KillElements

MainM