ANSYS大應(yīng)變分析中建模注意事項

單元的形狀

應(yīng)該認識到在大應(yīng)變分析的任何迭代中低劣的單元形狀(也就是,大的縱橫比,過度的頂角以及具有負面積的已扭曲單元)將是有害的。因此,你必須和注意單元的原始形狀一樣注意的單元已扭曲的形狀。(除了探測出具有負面積的單元外,ANSYS程序?qū)τ谇蠼庵杏龅降牡土訂卧螤畈话l(fā)出任何警告,必須進行人工檢查)如果已扭曲的網(wǎng)格是不能接受的,可以人工改變開始網(wǎng)格(在容限內(nèi))以產(chǎn)生合理的最終結(jié)果(參看圖1)。

圖1 在大應(yīng)變分析中避免低劣單元形狀的發(fā)展具有小應(yīng)變的大偏移

小應(yīng)變大轉(zhuǎn)動

某些單元支持大的轉(zhuǎn)動,但不支持大的形狀改變。一種稱作大撓度的大應(yīng)變特性的受限形式對這類單元是適用的。在一個大撓度分析中,單元的轉(zhuǎn)動可以任意地大,但是應(yīng)變假定是小的。大撓度效應(yīng)(沒有大的形狀改變)在ANSYS/Linear Plus程序中是可用的。(在ANSYS/Mechanical,以及ANSYS/Structural產(chǎn)品中,對于支持大應(yīng)變特性的單元,大撓度效應(yīng)不能獨立于大應(yīng)變效應(yīng)被激活。)在所有梁單元和大多數(shù)殼單元中,以及許多非線性單元中這個特性是可用的。通過打開NLGEOM,ON (GUI路徑Main Menu>Solution>Anolysis Options)來激活 那些支持這一特性的單元中的大位移效應(yīng)。

應(yīng)力剛化

結(jié)構(gòu)的面外剛度可能嚴重地受那個結(jié)構(gòu)中面內(nèi)應(yīng)力的狀態(tài)的影響。面內(nèi)應(yīng)力和橫向剛度之間的聯(lián)系,通稱為應(yīng)力剛化,在薄的,高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)中,如纜索或薄膜中是最明顯的。一個鼓面,當(dāng)它繃緊時會產(chǎn)生垂向剛度,這是應(yīng)力強化結(jié)構(gòu)的一個普通的例子。盡管應(yīng)力剛化理論假定單元的轉(zhuǎn)動和應(yīng)變是小的,在某些結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中(如在圖2(a)中),剛化應(yīng)力僅可以通過進行大撓度分析得到。在其它的系統(tǒng)中(如圖2(b)中),剛化應(yīng)力可采用小撓度或線性理論得到。

圖2應(yīng)力硬化梁

要在第二類系統(tǒng)中使用應(yīng)力硬化,必須在第一個載荷步中發(fā)出SSTIF,ON(GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)。ANSYS程序通過生成和使用一個稱作“應(yīng)力剛化矩陣”的輔助剛度矩陣來考慮應(yīng)力剛化效應(yīng)。盡管應(yīng)力剛度矩陣是使用線性理論得到的,但由于應(yīng)力(應(yīng)力剛度矩陣)在每次迭代之間是變化的這個事實因而它是非線性的。

大應(yīng)變和大撓度處理包括進初始應(yīng)力效應(yīng)作為它們的理論的一個子集,對于許多實體和殼單元,當(dāng)大變型效應(yīng)被激活時〔NLGEOM,ON〕(GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)自動包括進初始硬化效應(yīng)。

在大變形分析中〔NLGEOM,ON〕包含應(yīng)力剛化效應(yīng)〔SSTIF,ON〕將把應(yīng)力剛度矩陣加到主剛度矩陣上以在具有大應(yīng)變或 大撓度性能的大多數(shù)單元中產(chǎn)生一個“近似的”協(xié)調(diào)切向剛度矩陣。例外情況包括BEAM4和SHELL63,以及不把“應(yīng)力剛化”列為特殊特點的任何單元。對于BEAM4和SHELL63,你可以通過設(shè)置KEYOPT(2)=1和NLGEOM,ON在初始求解前激活應(yīng)力剛化。當(dāng)大變形效應(yīng)為ON(開)時這個KEYOPT設(shè)置激活 一個協(xié)調(diào)切向剛度矩陣選項。當(dāng)協(xié)調(diào)切向剛度矩陣被激活時(也就是,當(dāng)KEYOPT(2)=1且NLGEOM,ON時)SSTIF對BEAM4和SHELL63將不起作用。

在大變型分析中何時應(yīng)當(dāng)使用應(yīng)力剛化

?對于大多數(shù)實體單元,應(yīng)力剛化的效應(yīng)是與問題相關(guān)的;在大變型分析中的應(yīng)用可能提高也可能降低收斂性。在大多數(shù)情況下,首先應(yīng)該嘗試一個應(yīng)力剛化效應(yīng)OFF(關(guān)閉)的分析。如果你正在模擬一個受到彎曲或拉伸載荷的薄的結(jié)構(gòu),當(dāng)用應(yīng)力硬化OFF(關(guān))時遇到收斂困難,則嘗試打開應(yīng)力硬化。

?應(yīng)力剛化不建議用于包含“不連續(xù)單元”(由于狀態(tài)改變,剛度上經(jīng)歷突然的不連續(xù)變化的非線性單元,如各種接觸單元,SOLID65,等等)的結(jié)構(gòu)。對于這樣的問題,當(dāng)應(yīng)力剛化為ON(開)時,結(jié)構(gòu)剛度上的不連續(xù)線性很容易導(dǎo)致求解“脹破”。

?對于桁、梁和殼單元,在大撓度分析中通常應(yīng)使用應(yīng)力剛化。實際上,在應(yīng)用這些單元進行非線性屈曲和后屈曲分析時,只有當(dāng)打開應(yīng)力剛化時才得到精確的解。(對于BEAM4和SHELL63,你通過設(shè)置單元KEYOPT(2)=1激活大撓度分析中〔NLGEOM,ON〕的應(yīng)力剛化。)然而,當(dāng)你應(yīng)用桿、梁或者殼單元來模擬剛性連桿,耦合端或者結(jié)構(gòu)剛度的大變化時,你不應(yīng)使用應(yīng)力剛化。

注意:無論何時使用應(yīng)力剛化,務(wù)必定義一系列實際的單元實常數(shù)。使用不是“成比例”(也就是,人為的放大或縮小)的實常數(shù)將影響對單元內(nèi)部應(yīng)力的計算,且將相應(yīng)地降低那個單元的應(yīng)力剛化效應(yīng)。結(jié)果將是降低解的精度。

旋轉(zhuǎn)軟化

旋轉(zhuǎn)軟化為動態(tài)質(zhì)量效應(yīng)調(diào)整(軟化)旋轉(zhuǎn)物體的剛度矩陣。在小位移分析中這種調(diào)整近似于由于大的環(huán)形運動而導(dǎo)致幾何形狀改變的效應(yīng)。通常它和預(yù)應(yīng)力[PSTRES](GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)一起使用,這種預(yù)應(yīng)力由旋轉(zhuǎn)物體中的離心力所產(chǎn)生。它不應(yīng)和其它變形非線性,大撓度和大應(yīng)變一起使用。旋轉(zhuǎn)軟化用OMEGA命令中的KPSIN來激活(GUI路徑Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Structural-Other>Angular Velocity)。