仿真应用探索：Workbench大变形开关对有限元求解的影响分析

在基于ANSYS Workbench平台进行电梯轿厢的刚度分析时，需要明确是否开启大变形开关。那么大变形选项对结构（尤其是钣金结构）的影响到底是怎么样的？什么时候需要考虑几何非线性？什么时候又可以不考虑？这是刚度校核过程中值得思考的问题。

什么是大变形

在线性分析中，平衡方程的建立是以结构初始几何关系为依据的。由于大变形（大应变，大挠度，大转角）会引起结构的几何关系发生变化，所以对于大变形问题，使用线性分析是不恰当的，往往是错误的。workbench中可以设置是否考虑大变形效应。当打开该设置时，软件通过子步迭代的方法，不断调整刚度矩阵，进而考虑了结构几何关系的改变。其实可以这么说，在线性问题中，是否考虑大变形效应（几何非线性分析）的求解结果是接近的。在几何非线性问题中，使用线性分析会产生较大误差，甚至是错误的，必须考虑大变形。

实例说明

薄钢板，壁厚为3mm，约束左右两边，中间法向加集中荷载。

• 加载100N，查看线性分析和大变形分析的应力和位移

• 加载200N，查看线性分析和大变形分析的应力和位移

• 加载500N，查看线性分析和大变形分析的应力和位移

结论

• 当变形为壁厚的20%，线性分析和大变形分析的位移结果是近似的。
• 当变形为壁厚的50%，线性分析和大变形分析的位移结果相差10%。
• 当变形为壁厚的100%，线性分析和大变形分析的位移结果相差30%。
• 大变形分析的位移结果总是小于线性分析。

建议

• 大变形分析需要迭代，所以计算量大。对于较大的模型，可能会影响求解效率。对于小模型，计算量小，线性分析和非线性分析的求解时间相差不大。
• 当结构承受的载荷较大，结构变形较大时，是否考虑大变形效应（几何非线性分析），求解结果是不一样的。如果很明确所分析问题是线性问题，可以不打开大变形选项。
• 如果对分析问题的几何非线性属性不确定，建议打开几何非线性设置。
• 实际工作中，可以对比同一问题的线性分析结果和几何非线性分析结果，这样不仅可以得出正确的分析结果，也可以从对比中鉴别出该问题的几何非线性程度。

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