Ansys Mechanical生死单元技术在Workbench中的实践

01

什么是单元生死(Birth and Death)？

单元生死是一种仿真分析技术或方法，它允许我们在仿真分析过程中激活、杀死某些单元；其常应用于加工制造过程、装配过程、涉及材料失效或去除的仿真分析中，比如：

• 开挖（如隧洞开挖）
• 分阶段施工（如桥梁架设）
• 焊接、退火
• 连续装配
• 3D打印
• 材料失效…

利用单元生死技术分析被刚性球破坏的圆盘

单元生死技术允许用户在分析过程中(多个载荷步中)重新激活或杀死特定的单元。

• 在载荷历程的下一载荷步“激活”单元：这意味着在分析中该单元在前一载荷步是被杀死，但后面被重新激活了。
• 在载荷历程中单元被“杀死”，这意味着该单元停止提供任何显著的结构响应。

这些变化(激活或杀死状态) 在每个载荷步的开始时刻发生，并在该载荷步中保持。单元生死是状态改变非线性(类似于接触状态)，它们提供阶跃的、而不是渐变的单元状态改变(是状态的“突然”改变)。

02单元生死技术的实现

 单元被“杀死”时，它不是从刚度矩阵删除了，而是它的刚度降为一个低值。

• 杀死单元的刚度乘以一个极小的减缩系数(缺省为 1e-6)。为了防止矩阵奇异，该刚度不设置为0。
• 与杀死的单元有关的单元载荷矢量(如压力、温度)是零输出。
• 对于杀死的单元，质量、阻尼和应力刚度矩阵设置为0。
• 单元一被杀死，单元应力和应变就被重置为0。
• 因为杀死的单元没有被删除，所以刚度矩阵尺寸大小总是保持着。

 当单元为“激活”时，它的刚度缩减系数被删除。

• 所有的单元，包括开始被杀死的，在求解前必须存在，这是因为在分析过程中刚度矩阵的尺寸不能改变。
• 当单元为“激活”时，它的刚度、质量和阻尼矩阵返回到它们的原始值。

03在Workbench环境中实现单元生死(Birth and Death)的方式

Ansys Mechanical软件在Workbench环境中有三种方式实现单元生与死：

 整个部件(Full Body)的生与死

• 在Workbech环境中的Mechanical界面中可直接添加该功能对象。
• 允许在不同的加载步中控制其生或死。
• 如果需要控制其刚度变化，可以使用Command命令。

整个部件(Full Body)的生与死

 接触(Contact)的生与死

• 同样在Workbech环境中的Mechanical界面中可直接添加接触的生死对象。
• 它控制接触单元和目标单元的生与死。
• 由于Body是保持了完全刚度，因此其更具有鲁棒性。
• 通过控制接触生死，模拟中就不再需要再进行Body的移动了。

接触(Contact)的生与死

 Element by Element生与死

• 通过判别单元的结果是否达到临界值来控制该单元的生与死；可用于逐层加工建模或简化的材料失效方式。
• 目前在Workbech环境中需要通过插入Command命令来实现。
• Smart断裂和其他更复杂的方法可取代。

Element by Element生与死

04单元生死——其它注意事项

• 打开大变形求解设置(NLGEOM,ON)
• 若不存在其它非线性, 应指定“完全”Newton-Raphson (指定 “Full N-R” (NROPT,FULL))选项。
• 非线性分析中, 在杀死或重新激活单元时注意不要产生奇异点 (例如结构分析中尖锐的内曲角) 或大的刚度突变，这种情形很可能引起收敛困难。

• 杀死和重新激活单元引起系统刚度的突变(阶跃改变)，若这些改变太剧烈，则可能发生收敛困难；若出现收敛困难，则可考虑增加载荷步数量或限制给定载荷步的杀死或激活的单元数。

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