Ansys非線性技術呈現更真實的仿真世界

2017-03-08  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

在日常生活中,經常會遇到結構非線性的情況。例如,當用釘書機釘書時,金屬書釘將永久地彎曲成一個不同的形狀。在汽車行駛過程中,輪胎和路面之間的接觸將隨著車輛的行進而發生變化。如果將上述情況的載荷變形曲線畫出來,我們將發現它們都顯示了非線性結構的基本特征——結構剛度發生了改變。

動畫: 輪胎與路面接觸仿真

引起結構非線性的原因很多,它可以被分成三種主要類型:狀態改變、幾何非線性、材料非線性。

許多結構表現出一種與狀態相關的非線性行為。例如,一根只能拉伸的電纜可能是松的,也可能是繃緊的。軸套可能是接觸的,也可能是不接觸的。凍土可能是凍結的,也可能是融化的。這些系統的剛度都是由于系統狀態的改變而產生變化。狀態改變也許和載荷直接有關(如在電纜情況中), 也可能由某種外部原因引起(如在凍土中的紊亂熱力學條件)。

動畫: 橡膠軸套自接觸仿真

如果結構經受幾何大變形,它幾何形狀的變化可能會引起結構的幾何非線性響應。一個典型的例子就是釣魚桿,隨著垂向載荷的增加,魚竿不斷彎曲以至于力臂明顯地減少,導致桿在較高載荷下體現出不斷增長的剛性。幾何非線性的特點是大位移、大轉動。

材料非線性的應力─應變關系也是結構非線性行為的常見原因。許多因素可以影響材料的應力─應變性質,包括加載歷史(如在彈─塑性響應情況下)、環境狀況(如溫度)、加載的時間總量(如在蠕變響應情況下)。

動畫:沖壓成型仿真

ANSYS非線性計算的求解器是采用一系列的聯立線性方程來預測線性工程系統的響應。在處理非線性結構的問題時,同樣可以采用一系列的帶校正的線性近似來求解非線性問題。

一種近似的非線性求解是將載荷分成一系列的載荷增量,可以在一個載荷步的幾個子步上施加載荷增量。當每一個增量的求解完成后,繼續進行下一個載荷增量之前調整剛度矩陣以反映結構剛度的非線性變化。但是,純粹的增量近似不可避免地要隨著每一個載荷增量積累誤差,最終導致結果失去平衡。

ANSYS通過使用牛頓-拉普森平衡迭代的方法來克服這種困難,它迫使在每一個載荷增量的末端達到平衡收斂(在容限范圍內)。

在做非線性分析時,我們可能會遇到由于各種原因引起的收斂困難。例如初始分開的接觸面引起的剛體位移;大載荷增量引起的不收斂;結構失穩或者大變形引起的網格扭曲。對于這些非線性收斂的問題,ANSYS提供了一系列的手段來處理。常見的非線性問題及處理對策有以下幾種:

① 遺漏接觸對

需要建立正確的接觸形式,可以通過接觸自動識別或者General Contact的方式建立接觸關系。

② 初始接觸剛度不合適

在求解接觸問題時,接觸剛度對收斂性影響顯著。大多數情況下缺省設置有效,但不適于彎曲為主的接觸問題。如果出現了不好收斂的信號,例如收斂曲線近似平行于收斂準則,此時選擇較小的罰剛度值(FKN),可以使得接觸容易收斂。

③ 步長過大

對于大變形的問題,通常需要較多的子步,用以捕捉模型受力過程,如果要施加更復雜的載荷,有時需要使用重啟動來不斷調整步長。

④ 出現奇異現象

如果出現了奇異現象,往往意味著在物理意義上有限元模型就不正確,例如如果使用點載荷做塑性分析,將不會得到收斂結果。因為,在節點上將會產生奇異,局部的奇異會使整個結構不收斂。這對于接觸分析也是一樣的。同時如果簡化結構或用太粗的網格,造成接觸區域是點接觸,那么很有可能使問題不收斂。

⑤ 產生剛體位移

出現了此種現象,往往是建模不嚴謹導致模型有間隙或者穿透,需要在軟件中關閉間隙或穿透。

⑥ 分析模型產生振蕩

解決方法可以是引入小的摩擦系數加以解決,在接觸面上施加一個較小的摩擦系數。

ANSYS把非線性分析當作一系列的線性近似及修正,在求解過程中會不斷輸出這些近似和修正過程的求解信息,可以在輸出文件中查看相關的求解信息,如果沒有完全了解錯誤或警告信息的意義,不應當無視軟件的任何錯誤或警告信息。

隨著仿真問題的復雜程度的增加,正確認識非線性問題和處理方法有助于我們解決更復雜的物理現象。非線性分析問題是結構仿真分析的難點。在分析過程中,反復的計算參數調整的嘗試有時是必須的,而仿真工程師的經驗和有目的性的調試會減少反復嘗試的次數。

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