预应力大变形模态分析到 PSTRES 和 SSTIF 的辨异

一，前言：

在ANSYS中有两个命令可以将预应力效应激活并考虑在求解方程计算中，但是他们是有区别，最近在论坛上出现很多的帖子讨论预应力大变形模态分析，但是好象大家对以上两个命令出现一定程度的混淆，本文结合例子对以上两个命令及相关问题做以阐释。不妥之处，欢迎高手批评指正

二，例子简单介绍：

借用网友的例子进行说明，下面简单介绍以下我们分析的问题。

实际的问题是两根拉索，通过圆钢管联系在一起成以下平面形状，拉索中通过施加应变yingbian=3.51e-3考虑索中的预应力。本文将对以下结构进行静力求解和模态求解。

三，静力求解结果分析：

本文采用以下四种不同的求解方式进行求解，并对结果进行分析：

SOLUTION 1 小变形求解，不激活以上两个命令，使用以下命令流：

Nlgeom,off

Sstif,off

Pstres,off

Solv

SOLUTION 2-1 小变形求解，激活Pstres命令，使用以下命令流：

Nlgeom,off

Pstres,on

solv

SOLUTION 2-2 大变形求解，激活Pstres命令，使用以下命令流：

Nlgeom,on

Pstres,on

solv

SOLUTION 2-2 大变形求解，激活SSTIF,on命令，使用以下命令流：

Nlgeom,on

Sstif,on

solv

经过求解分别得到以下计算结果:以UX变形为例

结论：通过以上结果可见，PSTRES，ON 是不适合用于大变形分析，因为该命令不会激活△U的附加刚度矩阵。

四，命令辨析：

为从根本上阐明以上问题，我们先从两个命令的说明上进行对比，区分其中的不同之处。4-1PSTRES 命令

PSTRES, Key

Specifies whether *1pstress effects are calculated or included.

注1，Pstres主要为激活预应力效应，注意和SSTIF使用目的的区别

Notes

Specifies whether or not prestress effects are to be calculated or included. Prestress effects are calculated in a static or transient analysis for inclusion in a buckling, modal, harmonic (Method = FULL or REDUC), transient (Method = REDUC), or substructure generation analysis. If used in SOLUTION, this command is valid only*2within the first load step.

注2，Pstres只在第一个荷载步中有效，注意命令的生存时间

If the prestress effects are to be calculated in a nonlinear static or transient analysis (for a prestressed modal analysis of a large-deflection solution), you can issue a SSTIF,ON command (*3rather than a PSTRES,ON command) in the static analysis.

注3：如果在静力分析和瞬态分析（用于预应力大变形模态分析）中计算预应力效应，则应该指定ssitf命令而不是pstres命令

4-2 SSTIF 命令

SSTIF, Key

Activates*1 stress stiffness effects in a nonlinear analysis.

注1，Ssfif主要为非线性分析中激活应力刚度效应，注意和SSTIF使用目的的区别

Notes

Activates stress stiffness effects in a nonlinear analysis (ANTYPE,STATIC or

TRANS). (*2The PSTRES command also controls the generation of the stress stiffness matrix and therefore should not be used in conjunction with SSTIF.)

注2，Pstres命令同样控制应力刚度矩阵，因此不能和sstif连用。

If used in SOLUTION, *3this command is valid only within the first load step.

注3，该命令同样仅在第一荷载步内有效。

When SOLCONTROL and NLGEOM are ON, SSTIF defaults to ON. *4 This normally forms all of the consistent tangent matrix. However, for some special nonlinear cases, this can lead to divergence caused by some elements which do not provide a complete consistent tangent (notably, elements outside the 18x family). In such a case, ANSYS recommends issuing an SSTIF,OFF command to achieve convergence. For the 18x family of elements, setting SSTIF,OFF when NLGEOM is ON has no effect (because stress stiffness effects are always included).

注4，当激活SOLCONTROL或NLGEOM，ON时，sstif默认被激活，一般来讲会形成一致切线刚度矩阵，然而对于一些特殊的非线性情况，会因为一些单元（特别是18X系列以外的单元）不能提供一致切线刚度矩阵而导致不收敛。此时ANSYS要求SSTIF,off以获得收敛

*5The default values given for this command assume SOLCONTROL,ON (the default). See the description of SOLCONTROL for a complete listing of the defaults set by SOLCONTROL,ON and SOLCONTROL,OFF.

注5，该命令默认激活SOLCONTROL,ON,命令

附注:SOLCONTROL，为是否选择默认的非线性求解设定值和内部的增强收敛的解法SOLCONTROL, Key1, Key2, Key3, Vtol

Key1à为是否激活一系列默认的非线性求解的命令

SSTIF Key ON for geometrically nonlinear analysis (NLGEOM, ON). OFF

其关于SSTIF的默认是在执行大变形非线性分析的时候起用sstif,on

4-3 简单对比

从4-1~2可见：

1 SSTIF,on在大变形非线性分析中同样具备激活预应力效应的功能，

2 PSTRES，不能应用于大变形非线性分析（仅仅是开关功能的不同）

3如果先后激活以上两个命令，结果是后一个命令直接取代前一个命令

五，大变形模态分析：

对于大变形模态分析推荐使用以下标准命令流进行求解，本命令流较其他命令流对于大变形模态分析具有广泛的适用性。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!大变形非线性求解

finish

/solu

antype,static

nlgeom,on ！打开大变形求解器

sstif,on ！激活应力刚度效应

time,1

kbc,0

nsubst,1,1,1

ematwrite,yes

solve

!!!!!!!!!!!! Modal Solution

finish

/solu

antype,modal

upcoord,1,on ！对变形后的结构重新计算

pstres,on ！激活预应力对模态求解的效应，模态求解为线性求解

modopt,lanb,50,0,0, ！采用LANB求50个特征值,有四种方法可以选用

mxpand,50,,,yes, ！扩展50个模态

psolve,triang !切线刚度求解

psolve,eiglanb ！注意方法和的modopt,lanb,对应性

finish

/solu

expass,on ！！扩展模态求解答

psolve,eigexp

finish