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1 573 1 目录目录 第一章第一章 结构非线性定义结构非线性定义 27 1 1 什么是结构非线性 27 1 1 1 状态变化 包括接触 27 1 1 2 几何非线性 28 1 1 3 材料非线性 28 1 2 非线性分析的基本知识 28 1 2 1 方程求解 28 1 2 2 保守行为与非保守行为 过程依赖性 31 1 2 4 载荷和位移方向 32 1 2 5 非线性瞬态分析 32 第二章第二章 结构非线性分析结构非线性分析 33 2 1 在 ANSYS 中执行非线性分析 33 2 2 1 建模 34 2 2 2 设置求解控制 34 2 2 2 1 求解控制对话框 进入 35 2 2 2 2 求解控制对话框 Basic 标签 35 2 2 2 3 求解控制对话框 Transient 标签 36 2 2 2 4 求解控制对话框 Sol n Options 标签 36 2 2 2 5 求解控制对话框 Nonlinear 标签 37 2 2 2 6 求解控制对话框 Advanced NL 标签 37 2 2 2 7 求解控制对话框 设置其他高级分析选项 37 2 573 2 2 2 2 7 1 方程求解器 37 2 2 2 8 求解控制对话框 设置其他高级荷载步选项 38 2 2 2 8 1 自动时间步 38 2 2 2 8 2 收敛准则 39 2 2 2 8 3 平衡迭代的最大次数 40 2 2 2 8 4 预测 修正选项 41 2 2 2 8 5 线性搜索选项 41 2 2 2 8 6 步长缩减准则 41 2 2 3 设置附加求解选项 42 2 2 3 1 求解控制对话框不能设置的高级分析选项 42 2 2 3 1 1 应力刚化效应 42 2 2 3 1 2 牛顿 拉普森选项 42 2 2 3 2 求解控制对话框不能设置的高级荷载步选项 44 2 2 3 2 1 蠕变准则 44 2 2 3 2 2 时间步开放控制 44 2 2 3 2 3 求解监视 45 2 2 3 2 4 激活和杀死选项 45 2 2 3 2 5 输出控制选项 46 2 2 4 施加荷载 46 2 2 5 求解 46 2 2 6 考察结果 47 2 2 6 1 要记住的要点 47 2 2 6 2 用 POST1 考察结果 47 3 573 3 2 2 6 3 用 POST26 考察结果 50 2 2 7 终止正在运行的工作 重起动 51 2 3 1 建模 51 2 3 2 施加荷载和求解 51 2 3 3 观察结果 53 2 3 4 重启动 53 2 4 非线性分析的提示和指南 54 2 4 1 着手非线性分析 54 2 4 1 1 熟悉程序动作和结构行为 54 2 4 1 2 保持简洁 54 2 4 1 3 应用足够的网格密度 54 2 4 1 4 逐渐地施加荷载 55 2 4 2 克服收敛问题 55 2 4 2 1 用图形追踪收敛性 55 2 4 2 2 应用自动时间步 56 2 4 2 3 应用线性搜索 57 2 4 2 4 应用弧长法 57 2 4 2 5 在模型响应中人为抑制发散 59 2 4 2 6 关闭特殊单元形状 60 2 4 2 7 明智地应用生死选项 60 2 4 2 8 阅读程序的输出内容 60 2 4 2 9 用图形显示荷载和响应历程 61 2 5 结构非线性分析实例 61 4 573 4 2 5 1 非线性静态分析实例 GUI方法 61 2 5 1 1 问题描述 62 2 5 1 2 基本数据 62 2 5 1 3 求解步骤 GUI 方法 63 2 5 1 4 求解步骤 批处理方法 71 2 5 2 非线性瞬态分析实例 76 2 5 2 1 问题描述 76 2 5 2 2 问题详细说明 76 2 5 2 3 求解步骤 GUI 方法 77 2 5 2 4 求解步骤 批处理方法 84 2 5 3 其它例子 85 第三章第三章 几何非线性与屈曲分析几何非线性与屈曲分析 86 3 1 几何非线性 86 3 1 1 大应变效应 86 3 1 2 应力 应变 87 3 1 3 小应变大位移 88 3 1 4 应力刚化 88 3 1 5 旋转软化 90 3 2 大应变分析实例 91 3 2 1 问题描述 91 3 2 2 问题详细说明 91 3 2 3 问题描述图 91 5 573 5 3 2 4 求解步骤 GUI方法 92 3 2 5 求解步骤 命令流方法 93 3 3 屈曲分析 95 3 3 1 屈曲分析的类型 95 3 3 1 1 非线性屈曲分析 95 3 3 1 2 特征值屈曲分析 95 3 3 2 屈曲分析的用到的命令 96 3 4 非线性屈曲分析 96 3 4 1 施加载荷增量 96 3 4 2 自动时间步长功能 96 3 4 3 注意事项 97 3 4 4 初始缺陷 扰动 的施加 98 3 4 5 弧长法的使用 99 3 5 1 基本知识 99 3 5 2 特征值屈曲分析的步骤 100 3 5 2 1 建立模型 101 3 5 2 2 获得静力解 101 3 5 2 3 获得特征值屈曲解 102 3 5 2 4 扩展解 104 3 5 2 5 查看结果 106 3 6 屈曲分析实例 107 3 6 1 特征值屈曲分析 107 3 6 1 1 问题描述 107 6 573 6 3 6 1 2 问题详细说明 107 3 6 1 3 求解步骤 GUI 方法 108 3 6 1 4 求解步骤 命令流方法 112 3 6 2 非线性屈曲分析 112 3 6 2 1 问题描述 112 3 6 2 2 问题详细说明 113 3 6 2 3 求解步骤 GUI 方法 113 3 6 2 4 求解步骤 命令流方法 115 3 6 3 何处找到更多的实例 116 第四章第四章 材料非线性分析材料非线性分析 117 4 1 材料非线性概述 117 4 2 塑性分析 117 4 2 1 塑性理论简介 117 4 2 1 1 屈服准则 119 4 2 1 2 流动准则 123 4 2 1 3 强化准则 124 4 2 2 塑性材料选项 125 4 2 3 怎样使用塑性 131 4 2 3 1 ANSYS 输入 132 4 2 3 2 输出量 132 4 2 3 4 加强收敛性的方法 133 4 2 4 塑性分析实例 DP材料实例分析 134 7 573 7 4 2 4 1 问题描述 134 4 2 4 2 问题详细说明 135 4 2 4 3 求解步骤 GUI 方法 135 4 2 4 4 求解步骤 命令流方法 138 4 3 超弹性分析 140 4 3 1 超弹理论 140 4 3 1 1 超弹的定义 140 4 3 1 2 不可压缩缩性 142 4 3 1 3 超弹单元 142 4 3 2 超弹材料选项 142 4 3 2 1 Mooney Rivlin超弹性选项 TB HYPER 143 4 3 2 2 Ogden 选项 144 4 3 2 3 Neo Hookean 超弹性选项 144 4 3 2 4 多项式超弹性选项 145 4 3 2 5 Arruda Boyce 超弹性选项 145 4 3 2 6 用户定义超弹性选项 145 4 3 2 7 Mooney Rivlin 超弹性选项 TB MOONEY 145 4 3 3 超弹分析实例 156 4 3 3 1 问题描述 156 4 3 3 2 问题详细说明 156 4 3 3 3 分析过程 GUI 方法 157 4 3 3 4 分析过程 命令流方法 161 4 4 蠕变分析 165 8 573 8 4 4 1 蠕变理论 165 4 4 1 1 定义 165 4 4 2 求解算法 168 4 4 2 1 隐式蠕变方法 169 4 4 2 2 显式蠕变方法 172 4 4 3 3 求解步骤 GUI 方法 181 4 4 3 4 求解步骤 命令流方法 183 4 5 其它材料非线性 184 4 5 1 粘塑性 184 4 5 2 粘弹性 185 4 5 3 混凝土材料 186 4 5 4 多线性弹性 186 4 5 5 膨胀 186 4 5 6 用户定义材料 187 4 5 7 算例 粘塑性分析 188 4 5 7 1 问题描述 188 4 5 7 2 问题详细说明 188 4 5 7 3 求解 GUI 方法 189 4 5 7 4 求解 命令流方法 191 4 6 材料的联合使用 192 4 6 1 BISO和CHAB的实例 193 4 6 2 MISO和CHAB的实例 193 4 6 3 NLISO和CHAB的实例 194 9 573 9 4 6 4 BISO和RATE的实例 194 4 6 6 NLISO和RATE的实例 195 4 6 7 BISO和CREEP的实例 196 4 6 8 MISO和CREEP的实例 196 4 6 9 NLISO和CREEP的实例 196 4 6 10 BKIN和CREEP的实例 197 4 6 11 HILL和BISO的实例 197 4 6 12 HILL和MISO的实例 198 4 6 13 HILL和NLISO的实例 198 4 6 14 HILL和BKIN的实例 199 4 6 15 HILL和MKIN的实例 199 4 6 16 HILL和KINH的实例 200 4 6 17 HILL和CHAB的实例 201 4 6 18 HILL和BISO和CHAB的实例 201 4 6 19 HILL和MISO和CHAB的实例 202 4 6 20 HILL和NLISO和CHAB的实例 202 4 6 21 HILL和RATE和BISO的实例 203 4 6 22 HILL和RATE和MISO的实例 204 4 6 23 HILL和RATE和NLISO的实例 205 4 6 24 HILL和CREEP的实例 205 4 6 25 HILL和CREEP和BISO的实例 207 4 6 26 HILL和CREEP和MISO的实例 208 4 6 27 HILL和CREEP和NLISO的实例 208 10 573 10 4 6 28 HILL和CREEP和BKIN的实例 209 第五章第五章 接触分析接触分析 210 5 1 概述 210 5 1 1 显式动态接触分析能力 210 5 2 一般接触分类 210 5 3 ANSYS 接触分析功能 211 5 4 面 面的接触分析 215 5 4 1 应用面 面接触单元 215 5 4 2 接触分析的步骤 216 5 4 3 建立几何模型并划分网格 216 5 4 4 识别接触对 216 5 4 5 指定接触面和目标面 217 5 4 6 不对称接触与对称接触 218 5 4 7 定义目标面 218 5 4 7 1 控制节点 219 5 4 7 2 基本图元 219 5 4 7 3 单元类型和实常数 219 5 4 7 4 使用直接生成法建立刚性目标单元 220 5 4 7 5 使用 ANSYS 网格划分工具生成刚性目标单元 221 5 4 7 5 1 建模和网格划分的一些诀窍 224 5 4 7 5 2 检验目标面的节点号顺序 接触方向 224 5 4 8 定义柔体的接触面 225 11 573 11 5 4 8 1 单元类型 225 5 4 8 2 实常数和材料特性 226 5 4 8 3 生成接触单元 226 5 4 9 设置实常数和单元关键选项 228 5 4 9 2 单元关键选项 230 5 4 9 3 选择接触算法 230 5 4 9 4 确定接触刚度 231 5 4 9 5 选择摩擦类型 232 5 4 9 5 1 静 动摩擦系数 233 5 4 9 5 2 对称 不对称求解器 233 5 4 9 6 选择接触检查的位置 234 5 4 9 7 调整初始接触条件 235 5 4 9 8 决定接触状态和球形区域 240 5 4 9 14 使用时间步长控制 245 5 4 9 15 使用死活单元选项 245 5 4 10 控制刚性目标面的运动 刚体 柔体接触 245 5 4 11 热接触模拟 247 5 4 11 1 热接触行为与接触状态 247 5 4 11 2 自由热表面 247 5 4 11 3 目标面上的温度 248 5 4 11 4 传导模拟 248 5 4 11 6 辐射模拟 248 5 4 11 7 摩擦生热的模拟 249 12 573 12 5 4 11 8 外部热通量模拟 249 5 4 12 给柔体单元加必要的边界条件 249 5 4 13 定义求解和载荷步选项 250 5 4 14 求解 251 5 4 15 检查结果 252 5 4 15 1 注意事项 253 5 4 15 2 在 POST1 中查看结果 253 5 5 2 1 建模和划分网格 258 5 5 2 2 识别接触对 259 5 5 2 3 生成接触单元 259 5 5 2 3 1 对称与不对称接触单元的生成 261 5 5 2 3 2 观察接触单元 262 5 5 2 3 3 初始过盈问题 263 5 5 2 4 设置单元关键选项和实常数 264 5 5 2 4 1 单元关键选项 264 5 5 2 4 2 摩擦类型 264 5 5 2 4 3 罚函数与罚函数 拉格朗日方法 264 5 5 2 4 4 热 结构结触 265 5 5 2 4 5 接触预测 265 5 5 2 4 6 实常数 266 5 5 2 4 7 法向刚度 266 5 5 2 4 8 粘合刚度 267 5 5 2 4 9 穿透容差 268 13 573 13 5 5 2 4 10 静摩擦与动摩擦的比率 268 5 5 2 4 11 目标长度 268 5 5 2 4 12 热传导率 268 5 5 2 4 13 球形半径 269 5 5 2 5 加上必要的边界条件 269 5 5 2 6 定义求解选项 270 5 5 2 7 求解 271 5 5 2 8 查看结果 272 5 5 2 8 1 注意事项 272 5 5 2 8 2 在 POST1 中查看结果 272 5 5 2 8 3 用 POST26 进行后处理 274 5 5 2 9 使用单元 CONTAC26 275 5 6 点 点接触分析 276 5 6 1 建立几何实体及分网 278 5 6 2 生成接触单元 278 5 6 2 1 在重合节点自动生成接触单元 278 5 6 2 2 在偏离的节点上自动生成接触单元 278 5 6 2 3 节点顺序 279 5 6 3 定义接触的法线方向 279 5 6 4 定义初始过盈或间隙 281 5 6 5 选择接触算法 281 5 6 6 施加必要的边界条件 281 5 6 7 定义求解选项 282 14 573 14 5 6 8 求解 284 5 6 9 检查结果 284 5 7 接触分析实例 285 5 7 1 问题描述 285 5 7 2 求解步骤 GUI 286 5 7 3 求解步骤 命令流方法 289 第六章第六章 单元死活与单元非线性单元死活与单元非线性 292 6 1 单元非线性 292 6 2 单元死活 292 6 2 1 单元死活的定义 293 6 2 3 怎样使用单元的死活特性 294 6 2 3 1 建模 294 6 2 3 2 加载并求解 294 6 2 3 3 查看结果 296 6 2 3 4 使用死活行为的一些注意点 297 6 3 实例 死活单元 297 6 3 1 问题描述 297 6 3 2 问题详细说明 297 6 3 3 分析步骤 GUI方法 298 6 3 4 分析步骤 命令流方法 303 第七章第七章 ANSYSWORKBENCH 疲劳分析技术疲劳分析技术 307 7 简介 307 15 573 15 7 1 1 疲劳概述 308 7 2 疲劳程序 310 7 2 1 基本情况 310 7 2 1 4 疲劳特征曲线 313 7 2 2 2 平均应力影响 315 7 2 2 3 强度因子 316 7 2 2 4 应力分析 317 7 3 不稳定振幅的疲劳 320 7 3 1 不规律载荷的历程和循环 History and Cycles 320 7 3 3 4 定义竖条尺寸 323 7 4 非比例载荷的疲劳分析 325 7 4 3 求解组合 solution combination 添加Fatigue Tool 327 7 4 4 定义 所需的其它结果并求解 327 第八章模态分析第八章模态分析 328 8 1 简介 328 8 1 1模态分析的定义 及其应用 328 8 1 2模态分析中用到的命令 328 8 1 3模态提取方法 329 8 1 3 1 分块 Lanczos 法 331 8 1 3 2 子空间法 331 8 1 3 3 PowerDynamics 法 331 8 1 3 4 缩减法 332 16 573 16 8 1 3 5 非对称法 332 8 1 3 6 阻尼法 333 8 1 3 6 1 阻尼法 特征值的实部和虚部 333 8 1 3 6 2 阻尼法 特征向量的实部和虚部 333 8 1 3 7 QR 阻尼法 333 8 1 4矩阵缩减技术和主自由度选择准则 334 8 1 4 1 矩阵缩减 技术 335 8 1 4 2 人工选择主自由度的准则 335 8 1 4 3 程序选择主自由度的要点 337 8 2 模态分析 过程 337 8 2 1建模 338 8 2 2加载及求解 338 8 2 2 1 进入 ANSYS 求解器 338 8 2 2 2 指定分析类型和分析选项 338 8 2 2 2 1 选项 New Analysis 339 8 2 2 2 2 选项 分析类型 Modal ANTYPE 339 8 2 2 2 3 选项 Modal Extraction Method MODOPT 340 8 2 2 2 4 选项 Number of Modes to Extract MODOPT 340 8 2 2 2 5 选项 Number of Modes to Expand MXPAND 340 5 2 2 2 6 选项 Mass Matrix Formulation LUMPM 340 8 2 2 2 7 选项 Prestress Effects Calculation PSTRES 340 8 2 2 3 定义主自由度 342 8 2 2 4 在模型上加载荷 342 17 573 17 8 2 2 4 1 用命令加载 343 8 2 2 4 2 利用 GUI 施加载荷 343 8 2 2 4 3 载荷列表 344 8 2 2 5 指定载荷步选项 344 8 2 2 6 参与系数表输出 345 8 2 2 7 求解 345 8 2 2 7 1 输出 345 8 2 2 7 2 子空间 Subspace 模态提取法的输出 345 8 2 2 8 退出求解器 346 8 2 3扩展模态 346 8 2 3 1 注意要点 347 8 2 3 2 扩展模态 347 8 2 4观察结果 349 8 2 4 1 注意要点 350 8 2 4 2 观察结果数据的过程 350 8 2 4 3 选项 列表显示所有频率 350 8 2 4 4 选项 图形显示 变形 351 8 2 4 5 选项 列表显示主自由度 351 8 2 4 6 选项 线单元结果 351 8 2 4 7 选项 等值图显示 结果项 351 8 2 4 9 选项 列表显示结果项 352 8 2 4 10 其它功能 352 8 3 有预应力模态分析 352 18 573 18 8 4 大变形预应力模态分析 353 8 5 循环对称结构的模态分析 354 8 5 1基本扇区 354 8 5 2节径 354 8 5 3标准 无应力 循环对称结构模态分析 过程 355 8 6 模态分析实例 360 8 6 1飞机机翼模态分析实例 360 8 6 1 1 问题描述 360 8 6 1 2 GUI 方式分析过程 361 8 6 1 3 批处理或命令方式的命令流 368 8 6 2循环对称结构模态分析实例 简化齿轮的模态分析 370 8 6 2 1 问题描述 370 8 6 2 2 GUI 方式分析过程 370 8 6 2 3 命令或批处理方式的命令流 379 8 7 其它模态分析实例的出处 381 第九章第九章 谐响应分析谐响应分析 382 9 1 简介 382 9 1 1谐响应分析 的定义与应用 382 9 1 2谐响应分析中用到的命令 383 9 2 三种求解方法 383 9 2 1完全法 384 9 2 2缩减法 384 19 573 19 9 2 3模态叠加法 385 9 2 4三种方法共同的局限性 385 9 3 完全法谐响应分析 386 9 3 1完全法谐响应分析过程 386 9 3 2建模 386 9 3 3加载并求解 386 9 3 3 1 进入 ANSYS 求解器 387 9 3 3 2 定义分析类型和分析选项 387 9 3 3 3 在模型上施加载荷 388 9 3 3 4 指定载荷步选项 392 9 3 3 5 将数据库保存到一个命名的备份文件中 394 9 3 3 6 开始求解 394 9 3 3 7 重复执行加载求解得到其他载荷步 394 9 3 3 8 离开 SOLUTION 394 9 3 4观察结果 394 9 3 4 1 后处理器 395 9 3 4 2 注意要点 395 9 3 4 3 使用 POST26 396 9 3 4 4 使用 POST1 397 9 4 缩减法谐响应分析 398 9 4 1加载并求得缩减解 398 9 4 2观察缩减法求解的结果 400 9 4 3扩展解 扩展过程 400 20 573 20 9 4 4观察已扩展解的结果 403 9 4 5典型的缩减法谐响应分析命令流 404 9 5 模态叠加法谐响应分析 406 9 5 1获取模态分析解 406 9 5 2扩展模态叠加解 409 9 5 2 1 观察结果 409 9 5 3典型的模态叠加法谐响应分析命令流 409 9 6 有预应力的完全法谐响应分析 412 9 6 1 有预应力的完全法谐响应分析 412 9 6 2有预应力的缩减法谐响应分析 412 9 6 3有预应力的模态叠加法谐响应分析 412 9 7 谐响应分析实例 412 9 7 1 工作台 电动机 系统谐响应分析 412 9 7 1 1 GUI 方式 分析 过程 413 9 7 1 2 批处理 方式的 LOG 文件 417 9 7 2有预应力的吉他弦的谐响应 419 9 7 2 1 GUI 方式分析过程 420 9 7 2 2 批处理 方式 LOG 文件 427 9 7 3其它谐响应分析实例的出处 429 第十章第十章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析 429 10 1 简介 429 10 1 1瞬态动力学分析的定义 429 21 573 21 10 1 2学习瞬态动力学的预备工作 430 10 2 三种求解方法 431 10 2 1完全法 431 10 2 2模态叠加法 431 10 2 3缩减法 432 10 3 完全法瞬态动力学分析 433 10 3 1建造模 型 433 10 3 2建立初始条件 434 10 3 2 1 零初始位移和零初始速度 435 10 3 2 2 非零初始位移及 或非零初始速度 435 10 3 2 3 零初始位移和非零初始速度 435 10 3 2 4 非零初始位移和非零初始速度 436 10 3 2 5 非零初始位移和零初始速度 436 10 3 2 6 非零初始加速度 436 10 3 3设置求解控制 437 10 3 3 1 使用求解控制对话框 437 10 3 1 2 使用页片夹 438 10 3 1 3 使用瞬态页片夹 439 10 3 3使用求解选项页片夹 440 10 3 1 6 使用高级非线性页片夹 441 10 3 4设置其他求解选项 441 10 3 4 1 应力刚化效应 441 10 3 4 2 Newton Raphson 选项 442 22 573 22 10 3 4 3 预应力效应 442 10 3 4 4 阻尼选项 442 10 3 4 5 质量矩阵模式 443 10 3 4 6 蠕变准则 443 10 3 4 7 打印输出 443 10 3 4 8 结果外推 443 10 3 5 施加载荷 444 10 3 6存储当前载荷步的载荷配置 444 10 3 7针对每个载荷步重复 3 3 6 445 10 3 8存储数据库备份文件 445 10 3 9开始瞬态求解 445 10 3 10退出求解器 446 10 3 11观察结果 446 10 3 11 1 后处理 器 446 10 3 11 2 注意要点 447 10 3 11 3 使用 POST26 447 10 3 13使用POST1 448 10 3 12完全法瞬态分析的典型命令流 448 10 4 模态叠加法瞬态动力分析 449 10 4 1建造模型 450 10 4 2获取模态解 450 10 4 3获取模态叠加法瞬态分析解 451 10 4 3 1 注意要点 451 23 573 23 10 4 3 2 获取模态叠加法瞬态分析解 451 10 4 4扩展模态叠加解 456 10 4 5观察结果 456 10 4 6模态叠加法瞬态分析的典型命令流 456 10 5 缩减法瞬态动力学分析 过程 458 10 5 1获取缩减解 458 10 5 1 1 指定分析类型和选项 459 10 5 1 2 定义主自由度 459 10 5 1 3 定义间隙条件 460 10 5 1 3 1 间隙条件 460 10 5 2在模型上加初始条件 461 10 5 2 1 动力学选项 462 10 5 2 2 通用选项 463 10 5 2 3 输出控制选项 463 10 5 2 5 将第一个载荷步写入载荷步文件 463 10 5 2 6 指定载荷步和载荷步选项 463 10 5 2 7 存储一个数据库备份 464 10 5 2 8 开始瞬态求解 464 10 5 2 9 离开 SOLUTION 464 10 5 3观察缩减法求解的结果 464 10 5 4扩展解 扩展处理 465 10 5 4 1 注意以下两点 465 10 5 4 2 扩展 解 465 24 573 24 10 6 有预应力瞬态动力学分析 467 10 6 1有预应力的完全法瞬态动力学分析 467 10 6 2有预应力的模态叠加法瞬态动力学分析 468 10 6 3有预应力的缩减法瞬态动力学分析 468 10 6 4瞬态 分析的关键技术细节 469 10 6 4 1 积分时间步长选取准则 469 10 6 4 2 自动时间步长 471 10 6 4 3 阻尼 472 10 7 瞬态动力学分析实例 476 10 7 1瞬态完全法分析板 梁结构实例 476 10 7 1 1 GUI 方式 分析过程 477 10 7 1 2 批处理方式 命令流 482 10 7 2瞬态缩减法分析简支梁 质量系统实例 483 10 7 2 1 GUI 方式分析过程 484 10 7 2 2 批处理方式命令流 491 10 7 3 瞬态模态叠加法分析板 梁结构实例 492 10 7 3 1 GUI 方式分析过程 492 10 7 4 2 批处理方式命令流 497 10 8 其它的分析实例的出处 499 第十一章第十一章 谱分析谱分析 500 11 1 简介 500 11 1 1谱分析的定义 500 25 573 25 11 1 2什么是谱 500 11 1 2 1 响应谱分析 501 11 1 2 1 1 单点响应谱 501 11 1 2 1 2 多点响应谱 501 11 1 2 2 动力设计分析方法 501 11 1 2 3 功率谱密度 501 11 1 2 4 确定性分析与概率分析 502 11 1 3谱分析使用的命令 502 11 2 单点响应谱 SPRS 分析步骤 502 11 2 1 建造模型 503 11 2 2 获得模态解 503 11 2 3 获得谱解 503 11 2 4扩展模态 507 11 2 5合并模态 507 11 2 6观察结果 509 11 2 7典型的单点响应谱分析命令流 511 11 3 随机振动 PSD 分析步骤 513 11 3 1扩展模态 513 11 3 2获得谱解 514 11 3 4观察结果 518 11 3 4 1 在 POST1 后处理器中观察结果 519 11 3 4 2 在 POST26 中计算响应 PSDs 520 11 3 4 3 在 POST26 中计算协方差 520 26 573 26 11 3 5典型的PSD分析命令流 521 11 3 6随机振动分析结果应用 523 11 3 6 1 随机振动结果与失效计算 523 11 3 6 2 随机疲劳失效 523 11 4 DDAM 动力设计分析方法 谱分析 526 11 5 多点响应谱 MPRS 分析 527 11 6 谱分析的实例 GUI 命令流和批处理 528 11 6 1单点响应谱分析的算例 528 11 6 1 1 GUI 方式分析过程 529 11 6 1 2 批处理方式分析 LOG 文件 537 11 7 随机振动和随机疲劳分析算例 543 11 7 1 GUI方式分析过程 543 11 7 2批处理方式LOG文件 551 11 7 3 随机疲劳计算 555 第十二章第十二章 ANSYS 高级分析中的优化技术高级分析中的优化技术 556 12 1 ANSYS 优化技术简介 556 12 2 ANSYS 优化设计中的重要概念 559 12 3 ANSYS 优化设计中的优化算法 562 12 4 ANSYS 优化设计中的拓扑优化技术 566 27 573 27 第一章第一章 结构非线性定义结构非线性定义 1 1 什么是结构非线性什么是结构非线性 在日常生活中 经常会遇到结构非线性 例如 当用钉书针钉书时 金属钉书钉将永久 地弯曲成一个不同的形状 图 1 1a 如果你在一个木架上放置重物 随着时间的推移木架 将越来越下垂 图 1 1b 当在汽车或卡车上装载货物时 它的轮胎和下面路面间接触面将 随货物重量而变化 图 1 1c 如果将上述例子的载荷变形曲线画出来 用户将发现它们都 显示了非线性结构的基本特征 结构刚度改变 图 1 1 结构非线性行为的常见例子 引起结构非线性的原因很多 它可以被分成三种主要类型 状态改变 几何非线性 材 料非线性 1 1 1 状态变化状态变化 包括接触包括接触 许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为 例如 一根只能拉伸的电缆可能是 松的 也可能是绷紧的 轴承套可能是接触的 也可能是不接触的 冻土可能是冻结的 也 可能是融化的 这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化 状态改变也许和载荷直接有关 如在电缆情况中 也可能由某种外部原因引起 如在冻土中的紊乱热力学条件 接触是一种很普遍的非线性行为 接触是状态变化非线性中一个特殊而重要的子集 参 28 573 28 见第五章 1 1 2 几何非线性几何非线性 如果结构经受大变形 它几何形状的变化可能会引起结构的非线性响应 一个例子是 图 1 2 所示的钓鱼杆 随着垂向载荷的增加 杆不断弯曲以致于力臂明显地减少 导致杆端显 示出在较高载荷下不断增长的刚性 几何非线性的特点是大位移 大转动 图 1 2 钓鱼杆体现的几何非线性 1 1 3 材料非线性材料非线性 非线性的应力 应变关系是结构非线性行为的常见原因 许多因素可以影响材料的应力 应变性质 包括加载历史 如在弹 塑性响应情况下 环境状况 如温度 加载的时间总量 如 在蠕变响应情况下 1 2 非线性分析的基本知识非线性分析的基本知识 1 2 1 方程求解方程求解 ANSYS 程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应 然而 非线 性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示 需要一系列的带校正的线性近似来求 解非线性问题 一种近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量 可以在几个载荷步内或者在一个载 荷步的几个子步内施加载荷增量 在每一个增量的求解完成后 继续进行下一个载荷增量之 前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化 但是 纯粹的增量近似不可避免地要随 着每一个载荷增量积累误差 导种结果最终失去平衡 如 图 1 3 a 所示 29 573 29 b 纯粹增量式解 b 全牛顿 拉普森迭代求解 2 个载荷增量 图 1 3 纯粹增量近似与牛顿 拉普森近似 ANSYS 程序通过使用牛顿 拉普森平衡迭代克服了这种困难 它迫使在每一个载荷增量的末 端解达到平衡收敛 在某个容限范围内 图 1 3 b 描述了在单自由度非线性分析中 牛顿 拉普森平衡迭代的使用 在每次求解前 NR 方法估算出残差矢量 这个矢量是回复 力 对应于单元应力的载荷 和所加载荷的差值 然后使用非平衡载荷进行线性求解 且核 查收敛性 如果不满足收敛准则 重新估算非平衡载荷 修改刚度矩阵 获得新解 持续这 种迭代过程直到问题收敛 ANSYS 程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性 如自适应下降 线性搜索 自动载荷 步长及二分等 可被激活来加强问题的收敛性 如果不能得到收敛 那么程序或者继续计算 下一个载荷步或者终止 依据你的指示 对某些物理意义上不稳定系统的非线性静态分析 如果你仅仅使用 NR 方法 正切刚度矩 阵可能变为降秩短阵 导致严重的收敛问题 这样的情况包括独立实体从固定表面分离的静 态接触分析 结构或者完全崩溃或者 突然通过 至另一个稳定形状的非线性屈曲问题 对这 样的情况 可以激活另外一种迭代方法 弧长方法 来帮助稳定求解 弧长方法导致 NR 平 衡迭代沿一段弧收敛 从而即使正切刚度矩阵的斜率为零或负值 也往往阻止发散 这种迭 30 573 30 代方法以图形表示在 图 1 4 中 图 1 4 传统的 NR 方法与弧长方法的比较 分线性求解被分成三个操作级别 载荷步 子步 平衡迭代 顶层级别由在一定 时间 范围内用户明确定义的载荷步组成 假定载荷在载荷步内线性地 变化 见 ANSYS Basic Analysis Guide 2 在每一个载荷时步内 为了逐步加载 可以控制程序来执行多次求解 子步或时间步 在每一个子步内 程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解 图 1 5 说明了一段用于非线性分析的典型的载荷历史 参见 ANSYS Basic Analysis Guide 2 图 1 5 载荷步 子步及时间 当用户确定收敛准则时 ANSYS 程序给出一系列的选择 可以将收敛检查建立在力 力矩 位移 转动或这些项目的任意组合上 另外 每一个项目可以有不同的收敛容限值 对多 自由度问题 还有收敛范数的选择 当用户确定收敛准则时 应该总是选择以力 或力矩 为基础的准则 它提供了收敛的绝对 31 573 31 量度 如果需要也可以位移为基础 或以转动为基础的 进行收敛检查 但是通常不单独使用 它们 1 2 2 保守行为与非保守行为保守行为与非保守行为 过程依赖性过程依赖性 如果通过外载输入系统的总能量当载荷移去时复原 我们说这个系统是保守的 如果能 量被系统消耗 如由于塑性应变或滑动摩擦 我们说系统是非保守的 一个非保守系统的例 子如 图 1 6 所示 图 1 6 非保守 过程相关 过程 一个保守系统的分析是与过程无关的 通常可以任何顺序和以任何数目的增量加载而不 影响最终结果 相反地 一个非保守系统的分析是过程相关的 必须紧紧跟随系统的实际加 载历史 才能获得精确的结果 如果对于给定的载荷范围 可以有多于一个的解是有效的 如在跃变分析中 这样的分析也可能是过程相关的 过程相关问题通常要求缓慢加载 也就 是使用许多子步 到最终的载荷值 1 2 3 子步 当使用多个子步时 用户需要考虑精度和代价之间的平衡 更多的子步 也就是较小的时 间步 通常导致较好的精度 但以增加运行时间为代价 ANSYS 提供的自动时间步选项可用 于这一目的 用户可以激活自动时间步 以便根据需要调整时间步长 获得精度和代价之间的良好平 32 573 32 衡 自动时间步激活 ANSYS 程序的二分功能 二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法 无论何时只要平衡迭代收敛失败 二分 法将把时间步长分成两半 然后从最后收敛的子步自动重启动 如果已二分的时间步再次收 敛失败 二分法将再次分割时间步长然后重启动 持续这一过程直到获得收敛或到达最小时 间步长 由用户指定 1 2 4 载荷和位移方向载荷和位移方向 当结构经历大变形时 应该考虑到载荷将发生了什么变化 在许多情况中 无论结构如 何变形 施加在系统中的载荷保持恒定的方向 而在另一些情况中 力将改变方向 随着单 元方向的改变而变化 ANSYS 程序根据所施加的载荷类型 可以模拟这两种情况 加速度和集中力将不管单元方 向的改变 而保持它们最初的方向 表面载荷作用在变形单元表面的法向 且可被用来模拟 跟随 力 图 1 7 说明了方向不变的力和跟随力 注意 在大变形分析中 结点坐标系方向不变 因此计算出的位移在最初的方向上输出 图 1 7 变形前后载荷方向 1 2 5 非线性瞬态分析非线性瞬态分析 非线性瞬态分析方法 与线性静态分析方法相似 以荷载增量加载 程序在每一步中进 行平衡迭代 静态和瞬态处理的主要不同是在瞬态过程分析中要激活时间积分效应 因此 33 573 33 在瞬态过程分析中 时间 总是表示实际的时序 自动时间步长和二分特点同样也适用于瞬 态过程分析 第二章第二章 结构非线性分析 2 1 在在 ANSYS 中执行非线性分析中执行非线性分析 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 AUTOTS PRED MONITOR DELTIM NROPT NEQIT NSUBST TINTP SSTIF CNVTOL CUTCONTROL KBC LNSRCH OPNCONTROL EQSLV ARCLEN CDWRITE LSWRITE 这些命令及其设置在将在后面讨论 参见 ANSYS Commands Reference 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 34 573 34 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 ANSYS Modeling and Meshing Guide 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 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 Main Menu Solution Analysis Type Sol n 35 573 35 Control 可以应用标准的 ANSYS 求解命令集或相应的菜单 GUI Main Menu Solution Unabridged Menu option 求解控制对话框的概况 见 ANSYS Basic Analysis Guide 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 求解控制对话框求解控制对话框 进入进入 选择 GUI Main Menu Solution Analysis Type Sol n Control 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 求解控制对话框求解控制对话框 Basic 标签标签 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 ANSYS Basic Analysis Guide 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 36 573 36 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 Large Displacement Static 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 Restart Gurrent Analysis 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 ANSYS Basic Analysis Guide 2 在进行时间