ANSYS非线性瞬态结构分析核心指令集

1非线性结构分析

导致非线性的原因主要有三个：状态改变；材料非线性；几何非线性。

材料非线性包括：

Plasticity 塑性

Multilinear Elasticity Material Model 多线性弹性材料模型

Hyperelasticity Material Model 超弹性材料模型

Bergstrom-Boyce Hyperviscoelastic Material Model贝里斯特伦-博伊斯超

Mullins Effect Material Model

Anisotropic Hyperelasticity Material Model

Creep Material Model

Shape Memory Alloy Material Model

Viscoplasticity

Viscoelasticity

Swelling Material Model

User-Defined Material Model

2Plasticity 塑性

大多数工程材料在达到所谓的弹性比例极限前都表现出线性的应力-应变关系。超出该极限，应力-应变关系变为非线性，但也不会变成完全没有弹性。塑性以不可恢复的变形为特点，当应力超过屈服极限材料即表现塑性。一般弹性极限与屈服极限差别很小，ANSYS中一般将这两点当成一点。塑性是一个不可恢复、与路径相关的现象。换句话说，载荷施加顺序及塑性响应顺序都影响最终结果。如果分析中会产生塑性形变，最好以较小的载荷步和时间步求解，以便模型会更遵循载荷-响应曲线。

如果发生塑性形变，一个载荷步中进行了大量的平衡迭代计算或者塑性变形增量超过15%，自动时间步将减小时间步。如果载荷步太大，程序将平分载荷步，使用更小的载荷步计算。

其他非线性行为可能会伴随塑性发生。特别是，大变形和大应变几何非线性经常与塑性联系在一起。如果你预测可能会发生大变形，你必须激活这些效应。NLGEOM,ON. 对于大应变分析，材料应力-应变属性应当使用应力+对数化的形变的方式输入。

2.1 塑性材料模型

ANSYS中可以使用的塑性模型： // Structural Analysis Guide // 8. Nonlinear Structural Analysis // 8.4. Modeling Material Nonlinearities

①Bilinear Kinematic Hardening Material Model 双线性随动硬化

双线性随动硬化模型 (TB,BKIN)假设总应力范围等于屈服强度的两倍，以便包括包辛格效应。建议该选项使用于遵循von Mises屈服准则的一般小形变情况。不建议做大变形应用。BKIN选项可以综合蠕变和希尔各向异性选项来仿真更复杂的材料行为。

②Multilinear Kinematic Hardening Material Model 多线性随动硬化模型

多线性随动硬化模型(TB,KINH and TB,MKIN) 选项使用Besseling模型， 又叫子层或者覆盖模型，包辛格效应被包括。

③Nonlinear Kinematic Hardening Material Model 非线性随动硬化模型

④Bilinear Isotropic Hardening Material Model 双线性各向同性硬化模型

双线性各向同性硬化模型 (TB,BISO)选项使用von Mises 屈服准则耦合各向同性硬化假设。该选项优先用于大形变（large strain）分析。BIOS选项可以结合Chaboche, creep, viscoplastic, and Hill anisotropy 等选项来仿真复杂材料模型。

⑤Multilinear Isotropic Hardening Material Model 多线性各向同性硬化模型

多线性各向同性硬化模型(TB,MISO)选项类似双线性各向同性硬化模型，区别是使用的是多线性曲线。不建议使用该选择于循环或高度不成比例载荷历史的小形变分析。建议用于大变形分析（large strain）。MISO选项可以包含多达20个不同温度曲线，每个曲线允许100个不同应力应变点。不同曲线的应变点还可以不一样。可以结合非线性随动硬化 (CHABOCHE) 选项仿真循环硬化或软化。还可以结合creep, viscoplastic, and Hill anisotropy options仿真复杂材料模型。

⑥Nonlinear Isotropic Hardening Material Model 非线性各向同性硬化模型

非线性各向同性硬化模型(TB,NLISO)选项基于Voce硬化规律或power硬化规律。该模型的优势在于材料行为由函数确定，而函数由TBDATA命令定义的四个材料常数确定。你可以通过拟合材料拉伸应力-应变曲线来得到这四个常数。不同于MISO，不需要担心如何恰当选定应力-应变点来输入。但是该选项只是适用于如下图所示的拉伸曲线。该选项适合大应变分析。可以综合Chaboche, creep, viscoplastic, and Hill anisotropy等选项来反正复杂材料行为。

⑦其他：

Anisotropic Material Model 各向异性材料模型；Hill Anisotropy Material Model 希尔各向异性材料模型；Drucker-Prager Material Model德鲁克 - 普拉格材料模型，用于颗粒材料（土壤、岩石、水泥）；Gurson Plasticity Material Model 高森塑性材料模型，用于多孔金属材料；Gurson-Chaboche Material Model高森-沙博什材料模型，用于多孔金属材料； Cast Iron Material Model铸铁材料模型。

3瞬态分析

3.1 瞬态分析的三种方法

瞬态分析有三种方法：full, mode-superposition , and reduced。对于涉及非线性(plasticity, large deflections, large strain, and so on)的情况一般使用全积分方法。 全积分也是最费时的方法。

3.2 选择积分时间步的准则

瞬时分析的精度取决于时间步的大小。太大的时间步可能引起不可接受的误差，太小的时间步浪费计算时间和资源。

4非线性瞬态热应力分析中的重要命令

①输出控制（结果输出到数据库），建立存储规格。

间接法计算热应力时，热分析的结果文件要作为结构分析的热载荷输入。因此，热分析的载荷步时间步、结果存储设置要适应结构分析。

OUTRES, Item, Freq, Cname

Item: NSOL,节点结果；ESOL,单元结果；ALL，所有。

Freq: n,每第n个子步；-n,均分成n段；NONE,一个也不存；ALL,每一子步；LAST,最后一子步；%array%按数组提供的时刻来存储。

例1：

NSUBST,6

OUTRES,ERASE 设置到默认值，对于静态和瞬态分析，默认的是输出每一载荷步的最后子步的所有结果；谐态分析是每一子步。

例2：

NSUBST,6

OUTRES,NSOL,2 每2子步保持节点结果，其他不保存

例3：

NSUBST,6

OUTRES,ESOL,4  第4子步和第6子步（last），保存单元结果

②保存

SAVE, Fname, Ext, --, Slab

Slab：ALL，保存所有数据（模型数据，结果数据，后处理数据），默认值；MODEL，模型数据；SOLU，结果数据。

③自动时间步

AUTOTS,ON

DELTIM, DTIME, DTMIN, DTMAX, Carry

如果使用自动时间步，当Carry=OFF，以DTIME为起始时间步长，最小时间步不小于DTMIN，最大不大于DTMAX，当Carry=ON，以上一载荷步的最后子时间步长为起始时间步长。

另一个效果相同的命令组合：

AUTOTS, ON

NSUBST, NSBSTP, NSBMX, NSBMN, Carry

例：

AUTOTS,1

NSUBST,40,,,1

上例中，没有规定最多子步数和最小子步数，可能会导致子步数太少，从而精度低。

④ Newton-Raphson Option

NROPT,FULL,,ON

全newton-raphson程序对每一步平衡迭代都更新刚度矩阵。如果打开自适应下载选项，若检测到不收敛的趋势，程序将抛弃不收敛的计算而从新开始。激活自适应下载选项一般会提高程序解决复杂非线性问题的能力，但是不是每个单元类型都支持该选项。

⑤CUTCONTROL, Lab, VALUE, Option

Cutback方法是一种用于非线性问题过程中求解误差太大或者求解收敛困难时自动减小步长的技术。当收敛失败，程序将时间步长减少为原来的一部分，并自动从上一成功收敛时间步继续计算。如果减小的时间步长条件下继续收敛失败，则程序进一步减小步长，直到收敛成功或者达到了指定的最小时间步。

⑥线搜索选项

LNSRCH, Key

线搜索选项（LNSRCH）。该选项可代替自适应下降选项。如果线搜索选项是打开的，程序将自动关闭自适应选项。

⑦非线性分析收敛标准

CNVTOL, Lab, VALUE, TOLER, NORM, MINREF

⑧设置分析终结标准

NCNV, KSTOP, DLIM, ITLIM, ETLIM, CPLIM

⑨定义瞬时积分参数

TINTP, GAMMA, ALPHA, DELTA, THETA, OSLM, TOL, --, --, AVSMOOTH, ALPHAF, ALPHAM

⑩ 变形开关

NLGEOM，KEY   KEY: OFF:不包括几何非线性（缺省）

ON：包括几何非线性

(11) 选择方程求解器

EQSLV, Lab, TOLER, MULT, --, KeepFile

Lab：

SPARSE-Sparse direct equation solver

JCG-Jacobi Conjugate Gradient iterative equation solve

ICCG- Incomplete Cholesky Conjugate Gradient iterative equation solver

QMR-Quasi-Minimal Residual iterative equation solver

PCG-Preconditioned Conjugate Gradient iterative equation solver

AMG-Algebraic Multigrid iterative equation solver

(1) 直接解法：a.稀疏矩阵法；b. 波前解法

a. 稀疏矩阵法：占内存大，但运算次数少；通过变换刚度矩阵的顺序使得非零元素最少

b. 波前解法： 波前法的特点是：刚度矩阵K和载荷列阵P不按自然编号进入内存而按计算时参加运算的顺序排列； 在内存中只保留尽可能少的一部分K和P的元素。

(2) 迭代解法： JCG法；PCG法；ICCG法             JCG法：可解实数、对称、非对称矩阵             PCG法：高效求解各种矩阵（包括病态），但仅解实、对称矩阵            ICCG法：类似JCG,但更强

对大规模问题，建议采用PCG法。此法比波前法计算速度要快10倍以上

12） TIMINT, Key, Lab

在瞬时热分析中常常用TIMINT,OFF来关闭时间积分效果来进行稳态求解而得到瞬态分析的初始条件。如下例。

TIMINT,OFF       ! Time integration effects off for static solution

D,ALL,UY,1.0     ! Initial displacement = 1.0

TIME,.001        ! Small time interval

NSUBST,2         ! Two substeps

KBC,1            ! Stepped loads

LSWRITE          ! Write load data to load step file (Jobname.S01)

!  Transient solution

TIMINT,ON        ! Time-integration effects on for transient solution

TIME,...         ! Realistic time interval

DDELE,ALL,UY     ! Remove displacement constraints

KBC,0            ! Ramped loads (if appropriate)

!  Continue with normal transient solution procedures

13 瞬时时间积分参数设置

TINTP, GAMMA, ALPHA, DELTA, THETA, OSLM, TOL, --, --, AVSMOOTH, ALPHAF, ALPHAM

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