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ANSYS 入门教程 (31) - 加载、求解及后处理技术 (c)  

2010-08-22 06:59:19|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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4.2   荷载步选项及设置

一、载荷步与相关概念

    与荷载有关的几个术语或概念为:
        荷载步(Load Steps)
        荷载子步(Substeps)
        斜坡荷载(Ramped Loads)
        阶跃荷载(Stepped Loads)
        时间(Time)及时间步(Time step)
        平衡迭代(Equilibrium Iterations)。
    与土木工程相同的概念如荷载工况和荷载组合等,将在后处理中予以介绍。

    1. 荷载步、荷载子步和平衡迭代
    荷载步是为求解而定义的荷载配置,可根据荷载历程(时间和空间)在不同的荷载步内施加不同的荷载。例如在结构线性静态分析中,可将结构自重和外荷载分两步施加到结构上,第一个荷载步可施加自重,第二个荷载步可施加外荷载等。
    荷载子步是在某个荷载步之内的求解点(由程序定义荷载增量),不同分析中荷载子步有不同的目的。例如在线性静态或稳态分析中,使用子步逐渐增加荷载可获得精确解;在瞬态分析中,使用子步可得到较小的积分步长,以满足瞬态时间积累法则;在谐分析中,使用子步可获得不同频率下的解。
    平衡迭代是在给定子步下为了收敛而进行的附加计算。在非线性分析中,平衡迭代作为一种迭代修正具有重要作用,迭代计算多次收敛后得到该荷载子步的解。

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 2.   斜坡荷载和阶跃荷载
    当在一个荷载步中设置一个以上子步时,就必须定义荷载是斜坡荷载或是阶跃荷载。
    阶跃荷载指荷载全值施加在第一个荷载子步,其余荷载子步内荷载保持不变。对于荷载步 2 按要求是由荷载步 1 的全值荷载突然卸载,而程序实际上是从荷载步 1 的终点到荷载步 2 的第一个子步内完成的,所以可增加荷载步 2 的子步数(减小时间增量)以模拟突然卸载过程。
    斜坡荷载指在每个荷载子步,荷载逐渐增加,在该荷载步结束时达到荷载全值。载荷步内子步的荷载采用线性内插。

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3. 时间及时间步
    在所有静态和稳态分析中,不管是否与时间“真实”相关,ANSYS 都使用时间作为跟踪参数。
    在瞬态分析或与速率有关的静态分析(如蠕变或粘塑性)中,时间代表实际的按年月顺序的时间,可用小时、分、秒等表示。
    在指定荷载历程的同时,在每个荷载步终点给时间赋值。

    对于与速率无关的静态分析,时间仅仅成为识别荷载步和子步的计数器,每一个荷载步和子步都与惟一的时间点对应,故子步也称时间步。因此这种情况下,“time” 可用任意单位和数值。
    在缺省情况下,程序自动对 time 赋值,例如在荷载步 1 结束时 time=1,在荷载步 2 结束时 time=2 等等。该 time 在后处理的时间(荷载)- 变形曲线中非常有用。
    当采用弧长法求解时,时间不必单调增加,可以为负值。
    荷载步和子步都与时间点对应,即荷载步或子步是一定时间间隔内的系列荷载。两个连续子步之间的时间差称为时间步长或时间增量。平衡迭代就是为收敛在给定时间点上进行迭代求解的方法。

 

二、 输出选项

1.   控制写入数据库和结果文件的结果数据
    命令:OUTRES, Item, FREQ, Cname
        Item - 写入数据库和结果文件的解项(结果)控制参数,其值可取:
            =ALL(缺省):写入所有解项;
            =ERASE:将当前设置恢复到 ANSYS 缺省状态;
            =STAT:当前设置状态列表;
            =BASIC:仅写入 NSOL, RSOL, NLOAD, STRS, FGRAD,  FFLUX;
            =NSOL:仅写入节点 DOF结果,如 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 等;
            =RSOL:仅写入节点反力结果;
            =V:仅写入瞬态分析时的节点速度;
            =A:仅写入瞬态分析时的节点加速度;
            =ESOL:仅写单元结果,包括单元节点力 NLOAD,单元节点应力 STRS,单元弹性应变 EPEL,单元热、初始和膨胀应变 EPTH,
单元塑性应变 EPPL,单元蠕变应变 EPCR,单元节点梯度 FGRAD,单元节点流量 FFLUX,积分点位置 LOCI,状态变量 SVAR(仅 USERMAT 时),单元表数据 MISC 等。

        FREQ - 写入内容的频率(即写入哪个子步的结果),其值可取:
            =NONE:禁止写入所有子步的内容;
            =ALL:写入每个子步的内容,是谐分析或 EXPASS 打开时的缺省状态;
            =LAST:写入每个荷载步的最后子步内容,是静态或瞬态分析的缺省;
            =n:写入荷载步中每隔 n 个子步的内容(包括最后子步);
            =-n:写入荷载步中按子步均匀分割的 n 个子步的内容(仅为自动时间步打开时)。
            =%array%:存有 N 个时间值的数组,程序根据这些值写入数据,时间值为升序,且数值介于荷载步的开始和结束时间之间。多荷载步时,必须改变时间值以保证在荷载步开始和结束时间之间(可重新定义数组和时间)。
        Cname - 为 CM 命令创建的存放单元或节点的组件名。如 Item=ALL 或 BASIC 或 RSOL 等就不能使用组件名。
    该命令控制写入数据库和结果文件的数据,当分析生成的结果文件特别大时,可采用该命令有选择的写入数据,以控制 RST 文件的大小并节约资源。
    该命令如重复执行,则采用后执行的设置,即可利用此特性先后设置不同的参数,写入不同荷载步下的不同数据内容。

2.   结果输出控制
    命令:OUTPR, Item, FREQ, Cname
    其中参数意义同 OUTRES 命令的参数,但该命令是控制向输出文件 .OUT 写入的内容。
    利用 OUTRES 和 OUTPR 组合可严格控制输出的内容和数据。


3.   图形求解追踪器
    命令:/GST, Lab
    其中 Lab 为打开或关闭图形求解追踪器控制参数,如 Lab=ON 则打开,如 Lab=OFF 则关闭。
    GST 将保存以 GST 为扩展名的文件中(GST 文件以 ANSYS的 DISPLAYW程序阅读)。
    GST 方式仅适用于非线性结构分析等模拟,如求解时平衡迭代与收敛过程的图形。

 

4.   惯性释放计算控制
    命令:IRLF, KEY
    其中 KEY 为是否考虑惯性释放控制参数,其值可取:
        =0(缺省):无惯性释放计算;
        =1:用惯性释放力平衡荷载;
        =-1:仅为输出预计算总质量,不考虑惯性释放。
    可使用 IRLIST 命令显示惯性释放计算结果。
    惯性释放(inertia relief)就是通过计算加速度施加惯性力来平衡外荷载,利用惯性释放可求解“全自由”结构,如水中的船舶、空中的飞机、航天器等结构的静力分析。当然也可利用惯性释放求解外荷载自平衡结构的内力和变形(加速度为 0)。

    在求解全自由结构或自平衡结构的内力和变形时,可不施加任何约束,也可施加且仅可施加一个节点的“虚约束”,该节点约束仅仅为防止刚体位移或刚体转动所必须的约束(如对 2D 结构,可施加 3 个自由度约束;对 3D 结构可施加 6 个自由度约束)。在求解时,程序先计算在外荷载作用下结构各节点的加速度,然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上,由此构造一个平衡的力系(支座反力为 0),从而求解得到所有节点相对“虚支座”的位移及结构的荷载响应。各节点加速度通过结构质量矩阵和外荷载计算得到,当然包括平移加速度和转动加速度。
    惯性释放仅用于静态分析,且非线性、子结构、点单元及轴对称单元等不支持惯性释放,梁单元和层壳单元的质心偏置和变截面梁单元也不支持惯性释放;同时使用 2D 和 3D 单元的结构模态分析也不推荐使用。如果在第二及后续荷载步使用惯性释放,则必须在第一荷载步打开 EMATWRITE 命令,以便使用单元刚度矩阵。

    例如一开口框架受自平衡的外荷载作用,求其结构内力和变形。
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,beam3  $ mp,ex,1,2.1e11                                         !定义单元类型及材料特性
        mp,prxy,1,0.3  $ mp,dens,1,7800  $ r,1,0.2,0.05,0.2       !定义质量密度和实常数
        k,1,10,10  $ k,2,15,10  $ k,3,15,15  $ k,4,10,15              !创建关键点
        l,1,2  $ l,2,3  $ l,3,4  $ lesize,all,,,10  $ lmesh,all              !创建线,并划分网格等
        /solu                                                                                 !进入求解层
        antype,0  $ irlf,1                                                               !定义分析类型,打开惯性释放
        d,19,all                                                                             ! 对节点 19 施加约束(可对任意一个节点施加约束)
        f,22,fy,1000  $ f,1,fy,-1000                                               !施加一对集中力(自平衡)
        solve  $ finish  $ /post1                                                    !求解并进入后处理层
        pldisp,1                                                                            !显示变形图(约束仅对刚体位移有影响,对变形形状无影响)
        etable,mi,smisc,6                                                             !定义单元弯矩表
        etable,mj,smisc,12
        plls,mi,mj,-1                                                                      !显示弯矩图(与静力计算结果相等)
        irlist                                                                                  !显示惯性释放加速度等数据
        PRRSOL                                                                          !显示支座反力(极小,属于计算误差)

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三、  其它选项

    荷载步选项的其它控制命令主要包括了参考温度、三角矩阵、谐荷载、生死单元、约束方程常数、端点自由度释放、节点坐标更新、改变材料等内容。
1.   定义参考温度
    命令:TREF, TREFV
    其中 TREFV 为热膨胀的参考温度,缺省值为0.0℃。如果没有使用命令TUNIF定义均布温度,也可用此值作为均布温度使用。
    该命令为结构和显式动力分析中的热应变计算设定参考温度,热应变将按 α×(T-TREFV) 计算,其中 α为热膨胀系数,T 是单元温度。如果 α 为随温度变化时,TREFV 也应有一定的温度范围。
    参考温度也可在 MP 命令中使用 REFT 参数定义, 如 MP, REFT, MAT, C0;C0 必须为一常数(不随温度变化),且此值将施加到 MAT 号材料上。但 TREF 命令所定义的参考温度将施加到所有材料上。

 

2.   重新使用三角化矩阵的设置
    命令:KUSE, KEY
    其中 KEY 为重新使用三角化矩阵的控制参数,其中可取:
        =0(缺省):由程序自动确定是否再使用以前用过的三角化刚度矩阵;
        =1:强迫使用以前用过的三角化刚度矩阵,主要用在重启动分析中。
        =-1:生成所有单元刚度矩阵,并用于重新形成一个新的三角化刚度矩阵。
    该命令定义在当前荷载步的子步中是否要使用以前的三角化刚度矩阵,仅对静态分析或完全瞬态分析适用,如后续荷载步的频率不变也可适用于完全谐分析(-1 参数无效)。

 

3.   定义生死单元
    杀死命令:EKILL, ELEM
    激活命令:EALIVE, ELEM
    其中 ELEM 为拟杀死或激活的单元号,也可为 ALL 或组件名。
    EKILL 命令“杀死单元”,被杀死的单元仍然保存在模型中,但对总体刚度矩阵的贡献为 0(或接近 0,见下面的 ESTIF 命令),对整体质量矩阵也无贡献,可在适当的时候用 EALIVE 命令激活。
    EALIVE 命令“激活被杀死的单元”,被激活的单元具有“零”应变状态。
    单元被杀死后,其接近零刚度的定义由命令 ESTIF, KMULT 定义,其中 KMULT 为杀死单元的刚度矩阵乘子,其缺省值为 1E-6。
    在模拟施工过程和材料相变等分析中生死单元用途很大,在后面相关章节中介绍。

 

4.   定义端点自由度释放
    命令:ENDRELEASE, --, TOLERANCE, Dof1, Dof2, Dof3, Dof4
        TOLERANCE - 相邻单元的角度容差(度),缺省为 20°。
            如 TOLERANCE=-1 则为所选择的所有单元,并对所选择单元的交点进行自由度释放。
        Dof1~Dof4 - 拟释放的自由度。可取:
            =WARP(缺省):使用翘曲自由度;
            =ROTX:释放绕 X 轴的转动自由度;
            =ROTY:释放绕 Y 轴的转动自由度;
            =ROTZ:释放绕 Z 轴的转动自由度;
            =UX:释放 X 方向的平动自由度;
            =UY:释放 Y 方向的平动自由度;
            =UZ:释放 Z 方向的平动自由度;
            =BALL:形成球铰(等于释放 WARP, ROTX, ROTY, ROTXZ)。

    该命令对所选择的单元和节点进行自由度释放,且仅适用于 BEAM188 和 BEAM189 单元。当相邻单元的连接角度超过设定容差(TOLERANCE)时,进行自由度释放。
    BEAM18x 单元系列支持“约束翘曲”,但当单元的连接角度超过一定角度时应释放“翘曲自由度”;同时也可释放其它自由度。自由度释放实质上是耦合自由度,但由程序自动耦合(程序又指定了新的节点,并进行了单元节点调整,然后建立耦合集),其优点是用户不必在同一位置创建两个节点,然后用 CP 设置自由度耦合。自由度释放生成的耦合集可用 CPLIST 命令查看。

    示例:

        !  EX4.15  端点自由度释放
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,beam189  $ mp,ex,1,2.1e11  $ mp,prxy,1,0.3
        sectype,1,beam,csolid  $ secdata,0.2
        k,1  $ k,2,10  $ k,3,15,5  $ k,4,10,5  $ l,1,2$l,2,3
        latt,1,,1,,4,,1  $ lesize,all,,,10  $ lmesh,all
        finish  $ /solu
        lsel,s,loc,y,0  $ esll  $ sfbeam,all,1,pres,40000
        dk,1,all  $ dk,3,all  $ allsel
        nlist  $ elist                                         ! 可查看节点数为 61,并注意 10 和 11 单元的节点号
        endrelease,,30,ball
        NLIST  $ elist  $ CPLIST                     ! 自动生成了节点 62,并注意 11 单元的节点号有改变
        solve  $ finish  $ /post1
        etable,m1,smisc,2
        etable,m2,smisc,15
        plls,m1,m2

 

5.   根据位移更新当前激活节点的坐标
    命令:UPCOORD, FACTOR, Key
        FACTOR - 拟累加到节点坐标上的位移缩放因子,
            如果 FACTOR=1 则按位移值直接累加到节点的坐标上;
            如 FACTOR=0.5 则累加位移值的一半到节点的坐标上;
            如果 FACTOR=-1 则节点坐标减去实际位移值。
        Key - 数据库中位移是否清零的控制参数,其值可取:
            =OFF(缺省):数据库中的位移值不清零;
            =ON:数据库中的位移值清零。
    该命令仅对保存在 ANSYS 数据库中的位移进行相关操作,而不是那些保存在结果文件 RST 中的位移。该命令每执行一次,节点坐标就更新一次,如 Key=ON 则在更新后,数据库中的位移就置为零值。

    与此命令类似的是 UPGEOM 命令,说明如下:

    命令:UPGEOM, FACTOR, LSTEP, SBSTEP, Fname, Ext
        FACTOR - 同 UPCOORD 命令中的参数。
        LSTEP - 结果数据的荷载步编号,缺省为最后一个荷载步。
        SBSTEP - 荷载步的子步编号,缺省为该荷载步的最后一个子步。
        Fname - 结果文件名和目录名,文件名不能缺省。
        Ext - 文件扩展名且必须为 RST。
    UPGEOM 命令将以前分析所得到的位移累加到有限元模型上,并生成一个已变形的几何形状。如果重复执行该命令,同样将累加更新。此命令也不更新几何模型,即几何模型保持最初构形不变。
    UPCOORD 可在前处理层和求解层使用,但 UPGEOM 必须在前处理层使用;UPCOORD 采用的是数据库中的位移且可清零,而 UPGEOM 采用的是保存在 RST 文件中的位移;二者都改变节点坐标并生成变形的有限元模型,且都不改变几何模型的构形。

 

6.   改变材料性质
    该选项中包括了材料库的创建与存取(/ MPLIB、MPWRITE、MPREAD)、温度零点偏置(TOFFST)、改变指定单元的材料号(MPCHG)等,此处仅介绍 MPCHG 命令。
    命令:MPCHG, MAT, ELEM
        MAT - 材料参考号(由 MP 命令定义)。
        ELEM - 单元编号,可取 ALL 以改变所有被选择单元的材料号。
    该命令可以在求解层的各荷载步之间执行( 即连续的 SOLVE),但不能用于荷载步文件。不能从线性材料改为非线性材料,也不能从一种非线性材料改为另外一种非线性材料。
    该命令可以用于材料性能变化的荷载步中,如混凝土滞回分析。

 

7.   任意荷载步总刚的输出
    命令:WRFULL, Ldstep
    其中 Ldstep 为输出控制参数,其值可取:
        =0(缺省):关闭该特性,即不专门输出某个荷载步的总刚矩阵。
        =N:打开该特性,并在形成第N荷载步总刚后写入文件。
    该命令适用于线性静态、完全谐分析、完全瞬态分析且采用稀疏矩阵直接求解方法时,以及模态和屈曲分析,对非线性分析和 P 方法该命令不适用。一般求解时都生成 .FULL 文件,但当荷载步较多时,该命令则指定输出特定荷载步时的总刚度矩阵。
    所写出的 .FULL 文件为二进制文件,可进入 /AUX2 层,使用 FILE 和 HBMAT 命令将文件转换为 ASCⅡ 文件。

 

四、  生成荷载步文件

    如前所述,荷载步包括荷载及荷载步选项。当有多个荷载步时,可将每个荷载步存入一个文件(称为荷载步文件),求解时调入某个荷载步文件并从中读取数据,然后求解。
    使用多荷载步文件需要注意如下几个问题:
        ①  荷载步文件不能用于生死单元。
        ②  荷载步文件不捕捉实常数(R、RMODIF 等命令)和材料特性(MP、MPCHG等命令)的变化,即不写入文件中,当然
求解时也就没有这些命令了。
        ③ 当写荷载步文件时,自动将几何实体模型上的荷载转换到有限元模型上,即所有荷载以有限元荷载命令的形式写入文件。特别是面荷载,不管是如何施加的, 总是以 SFE 命令或SFBEAM命令记录在文件中。
        ④ 写入硬盘的荷载步文件的扩展名为 Sn,如第 21 个荷载步文件的扩展名为 S021。

    主要命令见下表:

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 1.   生成荷载步文件
    命令:LSWRITE, LSNUM
    其中 LSNUM 为荷载步文件的编号,小于 99。
        用 LSWRITE,STAT 列出当前的 LSNUM 值。
        用 LSWRITE,INT 将 LSNUM 的值初始化为 1。
    写入荷载步文件的求解缺省值受 SOLCONTROL 命令的影响。如打开 SOLCONTROL(缺省状态为开),则 LSWRITE 命令不写入求解缺省值,反之则写入求解缺省值。
    每个荷载步必须写入一个文件,即有多少个荷载步就应有多少个文件生成。

 

2. 从文件读入荷载步数据
    命令:LSREAD, LSNUM
    其中 LSNUM 为荷载步文件的编号。
        用 LSREAD,STAT 列出当前的 LSNUM 值。
        用 LSREAD,INT 将 LSNUM 的值初始化为 1。
    该命令从荷载步文件读入荷载步数据到数据库中,它不清除数据库的荷载,但会覆盖既有荷载。LSREAD 命令会移去 SFGRAD 施加的荷载。

3. 删除荷载步文件
    命令:LSDELE, LSMIN, LSMAX, LSINC
    其中 LSMIN, LSMAX, LSINC 为荷载步文件编号的起始和结束范围,及荷载步文件编号增量。LSMAX 缺省为 LSMIN,且 LSINC 缺省为 1。LSMIN 可取 ALL 则所有荷载步文件将被删除。
    该命令删除硬盘上当前工作目录下的荷载步文件。

 

4.   删除数据库中的荷载步数据
    命令:LSCLEAR,  Lab
    其中 Lab 为拟删除的荷载标识,其值可取:
        =SOLID:删除几何实体模型上的荷载;
        =FE:删除有限元模型上的荷载;
        =INER:删除惯性荷载;
        =LFACT:仅初始化命令 DCUM、FCUM、SFCUM 中的荷载缩放系数;
        =LSOPT:仅初始化荷载步选项;
        =ALL:删除以上所有荷载及初始化项目。
    该命令删除荷载,荷载步选项及初始化系数等将恢复其缺省设置。
5.  多荷载步文件的求解
    命令:LSSOLVE, LSMIN, LSMAX, LSINC
    该命令采用 LSSOLVE.MAC 宏命令读入荷载步文件并求解。该命令不支持重启动分析、生死单元及 FLOTRAN 分析。
    用该命令可以求解任意一个荷载步或荷载步范围。

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