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ANSYS 入门教程 (32) - 分析类型与求解控制选项 (a)  

2010-08-23 07:40:02|  分类: ANSYS 入门基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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4.3  分析类型与求解控制选项

    进入求解层(/SOLU命令)后,应先定义分析类型,惟一的命令如下:
    命令:ANTYPE, Antype, Status, LDSTEP, SUBSTEP, Action
        Antype - 分析类型,缺省时为上一次指定的分析类型
            有如下一些分析类型选 项:
                =STATIC 或 0 (缺省):静态分析,对所有自由度均有效;
                =BUCKLE 或1:屈曲分析,仅对结构自由度有效(已完成预应力效应的静态分析);
                =MODAL 或 2:模态分析,仅对结构和流体自由度有效;
                =HARMIC 或 3:谐分析,仅对结构、流体、磁场和电场自由度有效;
                =TRANS 或 4:瞬态分析,对所有自由度均有效;
                =SUBSTR 或 7:子结构分析,对所有自由度均有效;
                =SPECTR 或 8:谱分析,仅对结构自由度有效(已完成模态分析)。
        Status - 定义分析的状态,可选择状态有两种:
            =NEW(缺省):新的分析,忽略其后的命令参数(如 LDSTEP 等 3 个参数);
            =REST:重启动分析。
        LSDTEP,SUBSTEP,Action - 均为重启动参数。
    在定义分析类型后,就需要设置求解控制选项,这些选项为获得满意结果有极大作用。尽管大多数情况下,程序已经设置了通用或比较合理的缺省值,但有些情况下必须进行设置。不同的分析类型其求解控制选项不同。

 

一、 静态分析求解控制选项

    静态分析是ANSYS缺省的分析类型,该分析不考虑结构的惯性和阻尼,但静惯性力(如重力和离心力)和惯性释放除外。
    静态分析所能施加的荷载包括外荷载、静惯性力、强迫位移、温度荷载等。
    静态分析求解选项有 4 大选项,其中每个大选项又包括多条选项。4 大选项为基本选项、求解器选项、非线性选项及高级 NL 选项。由于各个版本的 GUI 方式对话框不尽相同,为方便起见在内容上不与任何版本的对话框一一对应。


1.   分析选项
    包含大变形效应(NLGEOM 命令)和预应力效应(PSTRES 命令)。

⑴   大变形效应
    命令:NLGEOM, Key
    其中 Key 为大变形效应参数,其值可取:
        =OFF 或 0(缺省):忽略大变形效应,同时指定为小变形效应。
        =ON 或 1:计入大变形(大转动)效应,也可以是大应变效应。
    ANSYS 的几何非线性包括大应变效应、大变形(也可称为大转动或大挠度)、应力刚化及旋转软化效应。大多数实体单元和部分壳单元支持大应变效应;所有梁单元和大多数壳单元支持大变形(大转动)效应,支持大应变的单元都支持大变形效应。
    ANSYS 计入大变形或大转动效应时是小应变,且大变形分析时惯性荷载和集中荷载的方向不随变形改变,但面荷载的方向则随变形而改变(即随动荷载)。
    NLGEOM 命令如在 /SOLU 层执行,必须在第一个荷载步内指定。

⑵   预应力效应
    命令:PSTRES, Key
    其中 Key 为预应力效应控制参数,其值可取:
        =OFF 或 0(缺省):不计入预应力效应;
        =ON 或 1:计入预应力效应。
    预应力效应(prestress effects)与土木工程中预应力混凝土(Prestressed concrete)概念上是不同的,预应力效应是计算应力刚度矩阵。在为屈曲分析、模态分析、完全法或缩减法的谐分析、缩减法的瞬态分析、子结构分析等所作的静态或瞬态分析中考虑预应力效应时,应设置为 PSTRES,ON(激活预应力效应)。
    PSTRES 命令如在 /SOLU 层执行,必须在第一个荷载步内指定。
    PSTRES 命令和 STIFF 命令不能被同时激活。

 

2.   时间
    命令:TIME, TIMEV
    其中参数 TIMEV 为荷载步结束时的时间值。对第 1 荷载步,缺省时或 TIMEV=0 或 TIMEV 为空,则程序将时间设置为 TIMEV=1.0;后续荷载步依次为:前一时间+1.0。
    该命令为各荷载步结束时设置一时间值(时间点),即用时间识别各个荷载步。
    对于与速率相关的分析,时间的单位应与分析中所用的单位相同,并且要设置时间值。如果分析必须从 0.0 开始,则可设置 TIMEV=1E-6 或更小的值,而不能设置 TIMEV=0.0。
    对于与速率无关的分析,时间可作为“计数器”使用,其值可为任意非零非负值,如其值可等于荷载值。此时时间仅仅用于识别各荷载步和子步,可在 /POST1 中使用 SET,LIST 命令得到时间、荷载步、子步及平衡迭代的列表。

 

3.   子步数和时间步长
    命令:NSUBST, NSBSTP, NSBMX, NSBMN, Carry
        NSBSTP - 当前荷载步的子步数。如果使用了自动时间步(即 AUTOTS,ON)则该子步数仅用于第一子步,也即第一子步的荷载增量用
  NSBSTP 求得,其余子步的荷载增量由程序自动确定。
        NSBMX - 当 AUTOTS 打开时,NSBMX 为最大子步数。
        NSBMN - 当 AUTOTS 打开时,NSBMN 为最小子步数。
        Carry - 时间步长继承控制参数,其值可取:
            =OFF:使用 NSBSTP 确定每个荷载步开始时的时间步长;
            =ON:如果 AUTOTS 打开,使用前一荷载步的最后时间步长作为该荷载步开始的时间步长。
    该命令中的 NSBSTP 参数用于确定在当前荷载步内,每个子步(或时间步)荷载增量的大小(斜坡荷载,如为阶跃荷载则一个子步到全值)。

    最小和最大子步数在采用自动时间步时,影响结果点的多少和收敛控制。例如问题容易收敛,程序会采用较小的子步数(时间步长大,荷载增量大)得到的结果点就少。如果问题收敛困难,程序会采用较大的子步数(时间步长小,荷载增量小),可得到较多的结果点;但是如果问题特别难以收敛,程序会采用最大子步数(最小时间步长)求解以获得收敛结果,
    通过平衡迭代一定次数后(NEQIT 命令设置)仍然不能收敛,则程序判定为不收敛并结束求解。
    建议对该命令的各个参数都要设置,但是对于一类问题设置多大的数目是合适的呢?这点只能靠求解控制经验或试算确定。一般可采用缺省的设置选项,不能收敛时可不断调整参数并逐步逼近收敛。上述不收敛是指在数值计算上,如果物理问题根本就是不收敛或已经达到不收敛的程度,那么采用何种帮助收敛的措施都是无效的,例如钢筋混凝土梁濒临破坏状态时。
    与 NSUBST 命令互为替代的命令是 DELTIM 命令,其格式如下:
    命令:DELTIM, DTIME, DTMIN, DTMAX, Carry
        DTIME - 当前荷载步的时间步长值。如果使用了自动时间步则为第一子步的时间步长。
        DTMIN,DTMAX - 当采用自动时间步时的最小时间步长和最大时间步长。
        Carry - 意义同 NSUBST 命令。该命令与 NSUBST 命令的设置结果是一样的,但参数是倒数关系。


4.   输出控制
    参见 OUTRES 命令,需要注意程序缺省的最大输出结果组数为 999 个结果组(包括所有荷载步和子步对应的时间点),可采用 /CONFIG 改变该设置以输出更多的结果组。

 

5.   自动时间步
    命令:AUTOTS, Key
        其中 Key 为自动时间步控制参数。
            如 Key=OFF 则不采用自动时间步;
            如 Key=ON 则采用自动时间步。
            缺省时,如 SOLCONTROL 打开则采用自动时间步,如 SOLCONTROL 关闭则不采用自动时间步。
    自动时间步技术(时间步长预测和时间步长对分)是在求解时,程序根据问题的荷载响应计算每个子步结束时的最优时间步长,以采用较少的资源获得有效解。在非线性静态或瞬态分析中,自动时间步确定了子步之间荷载增量的大小。
    不能将自动时间步(AUTOTS)、线性搜索(LNSRCH)、DOF 结果预测(PRED)与弧长法一起使用,否则会给出警告信息并使得自动时间步、线性搜索和结果预测设置失效。

 

6.   求解器选择
    命令:EQSLV, Lab, TOLER, MULT
        Lab - 方程求解器类型,其值可取求解方法。
        TOLER - 具有对称矩阵静态分析时的误差,缺省值 1.0E-8。具有非对称矩阵静态分析或谐分析或 DDS 求解器的误差,缺省值 1.0E-6。在大多数情况下,误差值可以使用 1.0E-5。对于 DDS 求解器如果 TOLER 小于 1.0E-6 可能导致不收敛。因此当缺省值难以收敛时,也可适当调整求解器的误差值。
        MULT - 仅适用于 PCG 求解器。在迭代收敛计算过程中,MULT 用来控制拟完成最大迭代次数的乘子, 当 SOLCONTROL  打开时缺省为2 . 0,当 SOLCONTROL 关闭时缺省为 1.0。最大迭代次数等于 MULT×自由度个数,一般而言缺省的最大迭代次数对于收敛是足够的,但对于病态矩阵,可适当增大 MULT 以求收敛。建议 MULT 值的范围在 1.0~3.0 之间,当大于 3.0 时对于帮助收敛已无多大意义,如果在 1.0~3.0 之间不能收敛,则只好检查模型或其它选项了。
    执行 EQSLV,-1 则由程序自动选择求解器,一般的用户无需选择求解器。

    主要求解器的简单说明见下表:

                ANSYS 入门教程 (32) - 分析类型与求解控制选项 (a) - htbbzzg - htbbzzg的博客

 

7.   非线性选项
⑴   线性搜索

⑵   非线性分析预测器

⑶   定义平衡迭代的最大次数

⑷   收敛准则

⑸   回退控制

⑹   荷载步中的蠕变效应


⑴   线性搜索
    命令:LNSRCH, Key
        其中 Key 为线性搜索控制,
            如 Key=OFF 则关闭线性搜索;
            如 Key=ON 则打开线性搜索;
            如 Key=AUTO 则 ANSYS 自动选择打开或关闭线性搜索。
        当 SOLCONTROL 打开时,缺省为关闭线性搜索,除非存在接触单元。
    该命令打开时自适应下降不被自动激活, 除非执行 NROPT 命令明确请求激活自适应下降,但一般不推荐同时使用二者,因线性搜索是自适应下降的替代方法。

 

⑵   非线性分析预测器
    命令:PRED, Sskey,  --, Lskey
        Sskey - 子步预测控制参数,
            如 Sskey=OFF 则关闭预测;
            如 Sskey=ON(缺省)则打开预测,并在第 1 子步后的所有子步中使用预测(当存在转角自由度或使用 SOLID65 单元时为关闭)。
        Lskey - 荷载步预测控制参数,
            如 Lskey=OFF(缺省)则在所有荷载步中关闭预测;
            如 Lskey=ON 则打开预测,并从荷载步的第 1 子步使用预测,但 Sskey 必须为ON。
    该命令作用是加速收敛,在非线性响应相对平滑时效果显著,对于震荡收敛也特别有效。在大转动或粘弹性分析中可能导致发散,此时应关闭预测器。

 

⑶   定义平衡迭代的最大次数
    命令:NEQIT,NEQIT
    其中 NEQIT 为每个子步中平衡迭代的最大次数,即在一个子步中如果超过该次数则认为该子步不能收敛,需要采取其它措施。
    如 SOLCONTROL 打开,缺省时依据问题的物理特性为 15~26;如 SOLCONTROL 关闭,则缺省为 25 次。该命令在具有收敛趋势但需要更多的迭代次数时很有用。
    该命令对每个子步中的平衡迭代次数进行限制,如果在 NEQIT 迭代次数之内不能收敛,且自动时间步是打开的,程序则尝试使用二分法。如果二分法已不可能再进行,程序将终止或进行下一荷载步(依据 NCNV 命令的设置)。

 

⑷   收敛准则
    命令:CNVTOL, Lab, VALUE, TOLER, NORM, MINREF
        Lab - 收敛标识符,其值可取 STAT(列表显示当前的收敛准则)、U(位移)、ROT(转角)、F(力)、M(力矩)、TEMP(温度)、PRES(压力)等。
        VALUE - 当前分析中上述标识符的典型值。缺省收敛值是程序计算参考值的最大值或 MINREF。
        TOLER - 当 SOLCONTROL 打开时,TOLER 为 VALUE 的误差。对力和力矩,缺省为 0.5%;对无转角自由度的 DOF 缺省为 5%。如 SOLCONTROL 为关闭,力和力矩,缺省为 0.1%。
        NORM - 指定范数选项。如等于 2(缺省)则为 L2 范数,用于检查残差范数,即残差平方和的根值;如等于 1 则为 L1 范数,用于检查
残差绝对值的和;如等于 0 则为无穷范数,分别检查每个 DOF 的值。
        MINREF - 程序计算参考值所允许的最小值。对力和力矩缺省为 0.01,但当 SOLCONTROL 关闭时缺省为 1.0。
    一般情况下,缺省的收敛准则就能满足要求。命令 CNVTOL 用于改变缺省的收敛准则,只要改变了收敛准则,程序就自动删除了所有缺省收敛准则,例如改变了位移的收敛准则,则力的缺省准则就删除了,如果同时要使用力的收敛准则必须重新定义。

 

⑸   回退控制    ⑹   荷载步中的蠕变效应 - 略

 

7.   高级 NL 选项
⑴   终止分析选项
    命令:NCNV, KSTOP, DLIM, ITLIM, ETLIM, CPLIM
        KSTOP - 不收敛时程序的行为,有 3 个选项:
            =0:不终止分析,继续运行。尽管不收敛,也要继续下一荷载步的运行。
            =1(缺省):终止分析并退出程序。
            =2:终止分析但不退出程序,可在收敛失败后进入后处理等。
        DLIM - 如果节点最大自由度值超过这个限值,终止程序。对结构分析此值缺省为 1.0E6。
        ITLIM - 累加的平衡迭代次数超过此值则终止程序。
        ETLIM - 用时超过此值则终止程序,缺省时不限制。
        CPLIM - CPU 用时超过此值则终止程序,缺省时不限制。
    该命令定义收敛失败后程序的行为,主要用于非线性分析和瞬态分析中。其它终止条件则为用户终止程序运行提供了手段,如估计累加迭代次数超过某个值时可终止等。

 

⑵   激活弧长法
    命令:ARCLEN, Key, MAXARC, MINARC
        Key - 弧长法控制参数。如 Key=OFF(缺省)不使用弧长法;如 Key=ON 则打开弧长法。
        MAXARC - 参考弧长半径的最大乘子,缺省为 25。
        MINARC - 参考弧长半径的最小乘子,缺省为 1/1000。
            参考弧长半径根据第 1 子步的首次迭代的荷载增量或位移增量确定,即其值按下式确定:
                参考弧长半径 = 总荷载(或位移)/ NSBSTP
            弧长半径的限值按下式确定:
                下限:MINARC × 参考弧长半径;
                上限:MAXARC × 参考弧长半径;
    后续子步的弧长半径首先根据上一子步的弧长半径求得并求解,然后再依据当前子步修改弧长半径,并使其落在下限和上限弧长半径之间。当采用弧长半径下限求解而收敛失败时,程序将终止。

    弧长法不能同时使用下列收敛控制手段: 自动时间步(AUTOTS)、线性搜索(LNSRCH)、自由度预测(PRED)等。
    另外使用弧长法时应注意下列问题:
        ① 参考弧长半径与子步数相关,而弧长半径与参考弧长半径相关。因此合适的子步数需要不断试算确定,子步数越大求解时间越长。弧长半径很大或很小时,容易造成“回漂”,也需要调整弧长半径,即改变 NSBSTP 数值修改弧长半径。
        ② 由于弧长法通过在球面弧获得平衡状态,通常较难在某个固定的荷载处获得一个解,而通过标准的 NR 方法确定此解可能更方便。在后处理中使用荷载-位移曲线比较容易评估结果。
        ③ 弧长法应避免与 JCG 或 PCG 求解器一起使用,因弧长法可能产生一个负定刚度矩阵,用这些求解器可能导致收敛失败。
        ④ 在弧长法中,时间 TIME 可正可负,负值表示弧长特征正以反向加载,以保持结构的稳定性,例如“跃越”屈曲分析中。

 

⑶   弧长法求解的终止控制
    命令:ARCTRM, Lab, VAL, NODE, DOF
        Lab - 求解终止的控制参数,其值可取:
            =OFF(缺省):不使用该命令控制求解终止。
            =L:当第 1 限制点达到后终止求解。限制点为响应历史中切线刚度矩阵奇异,如在该点结构开始变得不稳定。如 Lab=L 则忽略
其它命令参数。
            =U:当位移首次达到或超过设定的位移时终止求解。
        VAL - 当 Lab=U 时,设定的位移值(绝对值)。如果自由度为转角,其单位为弧度。
        NODE - 当 Lab=U 时,与设定位移值进行比较的节点号。如为空,则采用最大位移值。
        DOF - 当 Lab=U 且 NODE>0 时,可取 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ中的任一个。
    该命令用于弧长法求解时的终止控制。例如可能施加了一个永远都达不到的很大荷载,而 NCNV 又没有设置终止限制,将导致程序一直运行下去,典型的例子如二力杆的后屈曲分析。

 

8.   定义 NR 法选项
    命令:NROPT, Option, --, Adptky
        Option - 选项控制,其值可取:
            =AUTO(缺省):由程序自动选择;
            =FULL:采用完全的 Newton-Raphson法(简称 NR 法);
            =MODI:采用改进的 Newton-Raphson 法;
            =INIT:采用初始刚度矩阵法(以前的计算矩阵);
            =UNSYM:与单元的非对称矩阵一起使用完全的 NR 法。
        Adptky---自适应下降控制参数,其值可取:
            =ON:采用自适应下降,且只能在完全 NR 法中使用。对于存在摩擦接触单元、塑性单元等时,缺省状态为 ON。
            =OFF:不采用自适应下降。
    该命令实际上控制在荷载步中怎样修改刚度矩阵及修改频次。

 

9.   激活应力刚化效应
    命令:SSTIF, Key
        其中 Key 为应力刚化效应控制参数。
            如 Key=OFF(缺省,除非 NLGEOM 打开)则不包含应力刚化效应;
            如 Key=ON(如 NLGEOM 打开,则也缺省为开)则包含应力刚化效应。
    只要 NLGEOM 为开,则 SSTIF 也为开,否则为关闭状态。
    当命令 SOLCONTROL 和 NLGEOM 为 ON 时,SSTIF 也为 ON。
    正常情况下,它都形成一致切线刚度矩阵。然而在某些特殊的非线性情况,因有些单元不提供完全一致正切矩阵,从而导致发散,此时建议将 SSTIF 关闭。
    对于 18x 系列单元,因其单元矩阵考虑了应力刚化效应,当 NLGEOM 打开时,SSTIF 命令的 OFF 设置没有意义。
    大多数单元都能考虑应力刚化效应,但有些单元是通过 KEYOPT 的设置激活应力刚化效应(如 BEAM4 和 SHELL63 单元),如 NLGEOM 打开并且通过 KEYOPT 激活了应力刚化效应,则 SSTIF 命令也就不起作用了。

    PSTRES 也是考虑应力刚度矩阵的命令,但是不能与 STIFF 同时打开。二者虽然都计算应力刚度矩阵,但 PSTRES 所计算的应力刚度矩阵不参与平衡迭代求解(仅仅告诉 ANSYS 要保存应力刚度矩阵,后面的分析还要用到此矩阵),而 SSTIF 所计算的应力刚度矩阵参与平衡迭代,影响到计算结果。所以 PSTRES 用于“线性”情况,如特征值屈曲分析、模态分析(预应力模态分析、大变形预应力分析)、完全法或缩减法的谐分析、缩减法的瞬态分析、子结构分析等所作的静态或瞬态分析中考虑预应力效应时的情况。而 SSTIF 用于“非线性”情况,如几何非线性分析(SSTIF 打开就是几何非线性)、非线性屈曲分析或后屈曲分析、完全瞬态分析中。

    例如一悬臂梁静力分析,考虑两种开关的作用其计算结果如下:
        PSTRES 和 SSTIF 全部关闭,悬臂端挠度为 -5;(线性静力分析)
        PSTRES 打开而 SSTIF 关闭,悬臂端挠度也为 -5;(线性静力分析)
        PSTRES 关闭而 SSTIF 打开,悬臂端挠度为 -3.133;(非线性静力分析)
    两者都打开,在后面执行者起作用,即后面的命令覆盖前面命令。

    示例:
        !  EX4.16  命令 PSTRES 和 SSTIF 比较
        finish  $ /clear  $ /prep7
        et,1,3  $ r,1,300,10000,20
        mp,ex,1,2e5  $ mp,nuxy,1,0.3                                                 ! 定义单元、实常数、及材料
        k,1  $ k,2,100  $ l,1,2  $ esize,,10  $ lmesh,all  $ finish           ! 建模并划分单元等
        /solu  $ antype,static                                                               ! 进入求解层,并定义分析类型
        ! sstif,on  $ ! pstres,on
        ! 可分别都关闭、打开其中之一、都打开先后不同等 5 次计算
        dk,1,all  $ fk,2,fx,300000  $ fk,2,fy,-30000                              ! 施加约束和荷载
        solve  $ finish  $ /post1  $ set,last  $ plnsol,u,y                       ! 求解和后处理查看结果等

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