Ansys Mechanical高级非线性设置全攻略

实际工程中非线性现象是普遍存在的，而且非线性问题由于其算法及工况的复杂性，在实际使用过程中会存在各种不收敛或精度差等问题，相信肯定给很多仿真工程师带来过痛苦的回忆。

Ansys 结构分析软件的Mechanical模块除了基本的线性分析能力外，还具备很强的非线性求解能力；本文就来简单介绍下Ansys Mechanical模块在Workbench环境下的高级非线性分析流程，希望这篇技巧能给运用Ansys软件奋战在结构非线性仿真道路上的工程师们以理论指导。

具体步骤如下：

1. 非线性有限元模型的建立

某些情况下，没有承受大变形和应力、硬化效应的轻微非线性行为可能不需要对几何和网格进行修正。另外有些情况, 则必须包含特殊特征，如特定属性的单元(如接触单元)、非线性材料数据(如塑性应力-应变数据)、包括克服导致收敛问题奇异性的几何特征 (尖角的半径)等。

对于网格, 如果预期有大应变，形状检查选项应为“Aggressive”，因为用其做形状检查，Mechanical能保证求解之前网格的质量更好，以预见在大应变分析过程中单元的扭曲。
Element Control设为Manual, 用户可手动触发完全或缩减积分，这个选型将影响单元内积分点的数量。
图1 单元控制设置
图2 积分算法设置

该选项仅适用于高阶单元，当某部件厚度方向只有一个单元时，强制使用完全积分有助于提高精确度。

Mechanical默认采用高阶单元(有中节点)来划分网格，用户可使用选项来放弃中节点，如下图3所示。大变形中, 对几乎或完全不可压缩非线性材料的弯曲为主问题, 有时候放弃中间节点允许程序自动执行增强应变公式是有利的。

2. 非线性分析的基本设置

载荷步控制

如果非线性求解时有收敛问题, Mechanical将使用自动时间步对求解进行二分，二分会以更小的增量施加载荷，从最后成功收敛的子步重新开始加速收敛。当然用户也可以自己来定义容易收敛的时间步长，但这需要根据实际情况根据经验来设置。

求解器控制

求解器类型有“Direct” 和“Iterative”，这涉及到程序代码对每次Newton-Raphson 平衡迭代建立刚度矩阵的方式。直接(稀疏) 求解器适用于非线性模型和非连续单元(壳和梁)。迭代(PCG) 求解器更有效(运行时间更短) ，适合于线弹性行为的大模型。默认的“Program Controlled”于当前问题自动选择求解器。

图3 求解器控制设置

非线性控制

程序自动计算收敛容差，在Newton-Raphson 迭代过程中用来确定模型何时收敛或“平衡”，默认收敛准则适用于大多工程应用。对特殊情形，用户可不考虑缺省值而收紧或放松收敛容差，加紧的收敛容差给出更高精确度，但可能使收敛更加困难。如果模型中有转动自由度(如出现梁或壳单元的时候)，力平衡外还要增加力矩平衡。出现接触非线性的时候，默认的并不包括这些额外的检查，因为它们被认为是会过度限制并可导致不必要的发散。为了使非线性问题更容易收敛，建议采用如下收敛准则：

大多时候可很好应用默认收敛准则，不采用“放松”准则来消除收敛困难，收紧准则需要更多的平衡迭代。察看求解中的MINREF警告消息，确保使用的最小参考值对求解的问题来说是有意义的。