ansys高级非线性分析四蠕变教学文案
ANSYS非线性分析指南
非线性结构分析非线性结构的定义在日常生活中，会经常遇到结构非线性。
例如，无论何时用钉书针钉书，金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。
（看图1─1（a））如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。
（看图1─1（b））。
当在汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。
（看图1─1（c））如果将上面例子所载荷变形曲线画出来，你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征--变化的结构刚性.图1─1 非线性结构行为的普通例子非线性行为的原因引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态变化（包括接触）许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为，例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的，也可能是绷紧的。
轴承套可能是接触的，也可能是不接触的，冻土可能是冻结的，也可能是融化的。
这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。
状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。
ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。
接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。
几何非线性如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。
一个例的垂向刚性）。
随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。
图1─2 钓鱼杆示范几何非线性材料非线性非线性的应力──应变关系是结构非线性名的常见原因。
许多因素可以影响材料的应力──应变性质，包括加载历史（如在弹─塑性响应状况下），环境状况（如温度），加载的时间总量（如在蠕变响应状况下）。
牛顿一拉森方法ANSYS程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应。
然而，非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示。
需要一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。
ANSYS教程,非线性结构分析过程
ANSYS教程，非线性结构分析过程尽管非线性分析比线性分析变得更加复杂，但处理基本相同。
只是在非线形分析的适当过程中，添加了需要的非线形特性。
非线性结构分析的基本分析过程也主要由建模、加载并求解和观察结果组成。
下面来讲解其主要步骤和各个选项的处理方法。
建模这一步对线性和非线性分析都是必需的，尽管非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，如果模型中包含大应变效应，应力─应变数据必须依据真实应力和真实（或对数）应变表示。
加载求解在建立好有限元模型之后，将进入ANSYS求解器(GUI：Main Menu | Solution)，并根据分析的问题指定新的分析类型(ANTYPE)。
求解问题的非线性特性在ANSYS中是通过指定不同的分析选项和控制选项来定义的。
非线性分析不同于线性分析之处在于，它通常要求执行多荷载步增量和平衡迭代。
下面就详细讲解一下进行非线性结构分析需要定义的各个求解选项、分析选项和控制选项是如何设置的，以及他们的意义是什么。
求解控制对于一些基本的非线性问题的分析选项，可以通过ANSYS提供的求解控制对话框中的选项设置来完成。
选择菜单路径：Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol’n Controls，将弹出求解控制(Solution Controls)对话框，如下图所示。
从图中可以看出该对话框主要包括5个选项卡：基本选项（Basic）、瞬态选项（Transient）、求解选项（Sol’n Options）、非线性选项（Nonlinear）和高级非线性选项（Advanced NL）。
如果开始一项新的分析，在设置分析类型和非线性选项时，选择“Large Displacement Static”选项（不是所有的非线性分析都支持大变形）。
如果想要重新启动一个失败的非线性分析，则选择“Restart Current Analysis”选项。
选中下面的“Calculate prestress effects”单选按钮用于有预应力的模态分析时的预应力计算，具体内容见模态分析部分。
ansys高级非线性分析四蠕变
第一阶段 第二阶段
断裂 第三阶段
t
September 30, 2001 Inventory #001491 4-9
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
... 术语的定义
Training Manual
• 蠕变的三个阶段(续)
– 蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和/或时间的函数。
• 本章将介绍ANSYS中可用的大量的隐式和显式蠕变法则。
– 主要讨论金属的蠕变。 然而, 讨论的各种观点也适用于塑料或混凝土 等其它材料的蠕变。
– ANSYS有隐式和显式两种蠕变分析过程。 首先讨论蠕变的一般知识， 然后是进行隐式或显式蠕变分析的细节。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-2
September 30, 2001 Inventory #001491 4-17
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
... 一般蠕变方程
Training Manual
• ANSYS 中可用的蠕变法则汇总如下:
Creep Equation Description Strain Hardening Time Hardening Generalized Exponential Generalized Graham Generalized Blackburn Modified Time Hardening Modified Strain Hardening Generalized Garofalo (Hyperbolic sine) Exponential Form Norton Time Hardening Rational Polynomial Generalized Time Hardening User Creep Annealed 304 Stainless Steel Annealed 316 Stainless Steel Annealed 2.25 Cr - 1 Mo Low Alloy Steel Power Function Creep Law Sterling Power Function Creep Law Annealed 316 Stainless Steel 20% Cold Worked 316 SS (Irradiation-Induced)
ansys教程完整
输入 显示提示信息，输入 ANSYS命令，所有输入 的命令将在此窗口显示 。
应用菜单 包含例如文件管理、选 择、显示控制、参数设 置等功能.
主菜单 包含ANSYS的主要功能 ，分为前处理、求解、 后处理等。
工具条 将常用的命令制成工具 条，方便调用.
输出 显示软件的文本输出。 通常在其他窗口后面， 需要查看时可提到前面 。
6. 声学分析 ●定常分析 ●模态分析 ●动力响应分析 7. 压电分析 ●稳态、瞬态分析 ●模态分析 ●谐响应分析 8. 多场耦合分析 ●热－结构 ● 磁－热 ●磁－结构 ●流体－热 ●流体－结构 ●热－电 ●电－磁－热－流体－结构
9. 优化设计及设计灵敏度分析 ●单一物理场优化 ●耦合场优化 10.二次开发功能 ●参数设计语言 ●用户可编程特性 ●用户自定义界面语言 ●外部命令
启动ANSYS
Objective
1-1. 启动ANSYS软件.
要启动ANSYS: 开始> 程序 > ANSYS 12.1 >Mechnical APDL Product Launcher
启动ANSYS(续)
当显示出这六个窗 口后，就可以使用 ANSYS了.
ANSYS窗口
1-2. ANSYS GUI中六个窗口的总体功能
5. 流体动力学分析 ● 定常/非定常分析 ●层流/湍流分析 ●自由对流/强迫对流/混合对流分析 ●可压缩流/不可压缩流分析 ●亚音速/跨音速/超音速流动分析 ●任意拉格郎日－欧拉分析（ALE） ●多组份流动分析（多达6组份） ●牛顿流与非牛顿流体分析 ●内流和外流分析 ●共轭传热及热辐射边界 ●分布阻尼和风扇模型 ●移动壁面及自由界面分析
Volumes Areas
ansys几何非线性+塑性+接触+蠕变
除去蠕变，这个模型的结果可靠性是不错的。
作了一系列接触问题，通过试验验证符合的很好。
模型解释：（1）一个弹性结构受压（接触）变形，到发生塑性变形。
（2）拿开压缩板，结构回弹，但不会回到原始位置。
（3）这时计算蠕变，释放掉应力。
（4）再压弹性结构到开始压缩位置。
比较这四步的接触力。
结果：第二，三步当然没有接触力，（若没有应力释放，第一、第四步接触力应一样，）有了应力释放，第四步接触力比第一步减小。
这个模型中的蠕变没用太好。
用的是隐式6号蠕变方程，蠕变是时间和应力的函数，参数是乱定的（应力释放太快）。
想请教有关蠕变方面的资料，尤其是材料蠕变方程选用及参数方面的资料。
/prep7!------------CuSn8----------ET,1,182,,,3mp,ex,1,115e9mp,prxy,1,0.3r,1,0.3TB,BKIN,1TBDA TA,1,470E6,0tm=100*SET,C1,1.5625E-14 !ASSIGN VALUE*SET,C2,1.5 !ASSIGN V ALUE*SET,C3, !ASSIGN V ALUE*SET,C4,0 !ASSIGN V ALUETB,CREEP,1,,,6 !ACTIV ATE DA TA TABLETBDA TA,1,C1,C2,C3,C4 !DEFINE DATA FOR TABLE!-----------contact-----------------ET,9,169ET,10,171R,9,,,0.1,0.1,,!RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,!RMORE,0.0,0,1.0,0,0,0.5!RMORE,,,1.0,0.0MP,MU,9,0.0!----------------geometryk,,2k,,2,0.2k,,,0.2k,,-0.2k,,-0.2,1.2k,,,1k,,2,1.2k,,1,1k,,1.25,1k,,2,1L,8,9,k,,1.5,1.2k,,1.75,1.45L, 1, 2 L, 1, 4 L, 4, 5 L, 5, 11larc,7,12,11,0.25 larc,11,12,7,0.25L, 7, 10 L, 10, 9 L, 8, 6 L, 6, 3 L, 3, 2LFILLT,11,10,0.3, ,!*LFILLT,4,5,0.5, ,!*LFILLT,11,12,0.3, ,!*LFILLT,4,3,0.5, ,FLST,2,16,4 FITEM,2,12 FITEM,2,15 FITEM,2,11 FITEM,2,13FITEM,2,10FITEM,2,1FITEM,2,9FITEM,2,8FITEM,2,7FITEM,2,6FITEM,2,5FITEM,2,14FITEM,2,4FITEM,2,16FITEM,2,3FITEM,2,2AL,P51Xrect,1,3,1.45+0.001,1.5type,1mat,1esize,0.05amesh,all!---------contact------------ allstype,10mat,9real,9lsel,s,,,6,7nsll,s,1esln,s,0esurf,alltype,9mat,9real,9lsel,s,,,17nsll,s,1esln,s,0esurf,all!------boundarylsel,s,,,3nsll,,1d,all,uxd,all,uylsel,s,,,19nsll,,1cp,11,uy,allcplgen,11,ux*get,nmin,node,,num,min d,nmin,uxksel,s,,,10nslk*get,ndis,node,,num,minfini/soluantype,staticnlgeom,onautots,onallssaverate,offtime,1e-8d,nmin,uy,-0.3nsub,20outres,all,allsolve*get,rf1,node,nmin,rf,fy *get,dis1,node,ndis,u,ytime,2e-8d,nmin,uy,0.0nsub,20outres,all,allsolve*get,rf2,node,nmin,rf,fy*get,dis2,node,ndis,u,y!BFUNIF,TEMP,90rate,onTIME,tm!NSUBST,10OUTPR,BASIC,10 ! PRINT BASIC SOLUTION FOR EVERY 10TH SUBSTEP OUTRES,ESOL,1 ! STORE ELEMENT SOLUTION FOR EVERY SUBSTEP SOLVE*get,rf3,node,nmin,rf,fy*get,dis3,node,ndis,u,yrate,offtime,tm+1e-8d,nmin,uy,-0.3nsub,20outres,all,allsolve*get,rf4,node,nmin,rf,fy*get,dis4,node,ndis,u,y/EOFtime,11d,nmin,uy,-0.0nsub,20outres,all,allsolve*get,rf11,node,nmin,rf,fy*get,dis11,node,ndis,u,y/eoffini/post1*get,rf2,node,nmin,rf,fy fini/eof。
【ANSYS非线性分析】4-非线性分析方法
01112121222y y d N d d R d M d d R ελφ⎧⎫
⎧⎫⎡⎤⎧⎫=∆+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥
⎣⎦⎩⎭
⎩⎭⎩⎭ 改写为，
11112021222y y d N R d d d d M R d d εφλ-⎡⎤⎧⎫⎧⎫
⎧⎫=-⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥
-⎩⎭⎩⎭⎩⎭
⎣⎦ 求解过程中，可控制d φy 的值，求出相应的0d ε及荷载增量比例因子d λ。
由于ij d 与截面应变平面有关，需要迭代才能使截面补平衡力12,R R 趋近于零。
图4-9 位移控制法 在结构分析中控制指定位移增量，则P —δ曲线的下降段不难求得。
将底端固定顶端自由的柱，在柱顶端施加水平荷载，将柱的加载点处换为支座，而分析时控制该支座位移并求出该支座的反力，图4—9表示了得到的全过程分析P-δ曲线。
对于一般结构，将刚度矩阵重新排列，使得选择的控制位移排到最后，将原矩阵分块表示成以下形式，
111211121
22222K K du P R K K du P R ⎡⎤⎧⎫⎧⎫⎧⎫=∆+⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭⎩⎭⎩⎭
λ 改写方程为，
11
11121221
2222K P R K du du K P R K -⎡⎤⎧⎫⎧⎫⎧⎫
=-⎨⎬⎨⎬⎨⎬⎢⎥-∆⎩⎭⎣⎦⎩⎭⎩⎭
λ 需要指出的是，改写以后的系数矩阵是不对称的，也不是带状的，求解时需要较多的存储单元。
§4.5.4 修正完善后的弧长法 1．弧长法的基本原理
仍从结构增量平衡方程：{}{}{}11i i i i K w P g --=-∆∆λ∆。
ANSYS高级非线性培训手册第01章
• 所用的培训手册是幻灯片的完整拷贝。 • 附加练习题 中包含了练习题描述和指导。 • 通过指导老师可得到练习题文件的拷贝 (要求时).
引言
包括的主题
2. 单元技术 3. 高级率无关塑性 4. 蠕变 5. 率相关塑性 6. 超弹性 7. 粘弹性 8. Drucker-Prager/混凝土 9. 几何不稳定性: 屈曲 10. 单元死活
引言
材料 GUI
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
• 大部分材料和温度有关。材料 GUI 提供一个动 态的电子数据表, 表中和温度有关的常数可以方 便地添加和删除。
– 动态输入数据点(若可用) – 有些材料可以绘制温度相关的数据曲线。
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 11.0
本课程主要讨论18x 系列的单元，因为这些单元具有非线性的完整特征:
Elasticity
Isotropic, Orthotropic (MP) Interpolation
Plasticity
KINH/MKIN
• • • • • • • • •
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– – – – –
BEAM188/189 可具有多材料横截面. SHELL181 支持复合定义. HILL (各向异性Hill 势) 可用于任何塑性模型，包括蠕变（CREEP）、率相关（ RATE). CHAB (Chaboche 非线性随动强化) 可与任何各向同性强化组合. 虽然上面的空格有些是空白，这通常是因为选项不适用于 该单元. 所有的18x 单元支持 USERMAT 用户定义的材料和 USERCREEP用户定义的隐式蠕变法则 。单元 181-187 支持 USERHYPER 用户定义的超弹模型。用户可编程特性不包括在本课程中. 详情请参考 ANSYS用户可编程特性指南.
ANSYS讲义-非线性分析
FORCE CONVERGENCE VALUE = 4.687
CRITERION= 2.113
DISP CONVERGENCE VALUE = 0.1024E-01 CRITERION= 0.9406 <<< CONVERGED
EQUIL ITER 3 COMPLETED. NEW TRIANG MATRIX. MAX DOF INC= 0.3165E-02
也就是每一迭代步的求解误差与前一步误差的平 方成正比。
XJTU
2) 收 敛
Newton-Raphson 法需要一个收敛的度量以决定何时 结束迭代。给定外部载荷（Fa），内部载荷（ Fnr ）（ 由单元应力产生并作用于节点），在一个体中，外部载 荷必须与内力相平衡。
Fa - Fnr = 0
收敛是平衡的度量。
在这个接触例题中 ，接触面积未知， 它取决与施加载荷 的大小。
XJTU
非线性分析得到的结果
• 不能使用叠加原理! • 结构响应与路径有关，也就是说加载的顺序可能是
重要的。 • 结构响应与施加的载荷可能不成比例。
XJTU
非线性分析的应用
• 一些典型的非线性分析的应用包括：
– 非线性屈曲失稳分析 – 金属成形研究 – 碰撞与冲击分析 – 制造过程分析（ 装配、部件接触等） – 材料非线性分析 （弹性材料、聚合物） – 承受极限载荷的系统分析（塑性行为与动力响应）
• 力/力矩不平衡量 {R}
FORCE CONVERGENCE VALUE
• 最大的自由度增量 {u}
MAX DOF INC
• 力收敛判据
CRITERION
• 载荷步与子步数
LOAD STEP 1 SUBSTEP 14
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• 弹性、蠕变和塑性应变都基于(当前的)应力状态，但它们是独立计 算的(彼此互不依赖)。
– 注意在利用隐式蠕变与显式蠕变进行计算时有差别。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-6
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
• 前面提到, 从材料的角度看, 蠕变和粘塑性是相同的。
– 工程应用中, 通常蠕变用于描述低应变速率的热激活过程。 率无关塑 性和隐式蠕变应变以弱耦合方式处理。
– 相反, ANSYS 中粘塑性本构模型用于描述高应变速率的应用(例如, 冲 击载荷)。 非弹性应变以强耦合方式处理。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-7
... 蠕变背景
Training Manual
• 与塑性类似, 蠕变是一种基于偏量行为的不可逆(非弹性)应变。 在 蠕变流动条件下, 假设材料是不可压缩的。
• 另一方面, 与率无关塑性不同，蠕变在发生非弹性应变时没有屈服 面。
– 因此, 蠕变不需要高应力值来发生更多的蠕变应变。 假设在所有非零 应力值时都会发生蠕变应变。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-8
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
B. 术语的定义
Training Manual
• 蠕变的三个阶段:
– 在常载荷条件下, 蠕变的单轴应变与时间的关系如下图所示。
– 第一阶段, 应变率随时间减小，该阶段在较短时间内完成。第二阶段 具有常应变率。第三阶段, 应变率迅速增加直到破坏(断裂)。
隐式和显式蠕变
... 蠕变分析实例
焊球蠕变分析的例子(热循环)。
Training Manual
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
单元185 (B-Bar), 双曲 正弦隐式蠕变模型
Bret Zahn, ChipPAC 授权的ANSYS 模型 (/)
隐式和显式蠕变
... 蠕变背景
Training Manual
• 当计算弹性、塑性和蠕变应变时, ANSYS使用附加的应变分量:
应力-应变
D : el
附加分量
el pl cr
计算塑性应变(流动法则)类似于前一章的描述。 根据蠕变应变率方 程计算蠕变应变，它的详细形式将在后面讨论。
• 本章将介绍ANSYS中可用的大量的隐式和显式蠕变法则。
– 主要讨论金属的蠕变。 然而, 讨论的各种观点也适用于塑料或混凝土 等其它材料的蠕变。
– ANSYS有隐式和显式两种蠕变分析过程。 首先讨论蠕变的一般知识， 然后是进行隐式或显式蠕变分析的细节。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-2
– 晶粒的位错是线缺陷. 位错运动(攀升、滑动、偏移)在高应力状态下被 激活, 尽管在中温时也可能发生位错运动。
– 有时晶界滑移被认为是一种独立的导致蠕变变形的机理。
September 30, 2001 Inventory #001491 4-4
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
A. 蠕变背景
Training Manual
• 晶体材料中, 如金属, 蠕变机理与空隙的扩散流动和位错运动有关。
– 空隙是点缺陷, 倾向于形成与所施加应力方向垂直(而不是平行)的晶界 。空隙由高集中区向低集中区运动。 在低应力状态下发生扩散流动， 但通常需要高温条件。
四章
蠕变
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
本章综述
Training Manual
• 前一章探讨了率无关塑性, 本章将讨论 ANSYS 中蠕变行为的分析 方法。
– 尽管从材料的观点看蠕变 和粘塑性是相同的, 但本构模型的使用不同 。 因此, 率相关的塑性主题被分为两部分, 这部分属于蠕变。
第一阶段 第二阶段
断裂 第三阶段
t
September 30, 2001 Inventory #001491 4-9
Advanced Structural Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
... 术语的定义
Training Manual
• 蠕变的三个阶段(续)
– 蠕变应变率可能是应力、应变、温度、和/或时间的函数。
– 对于工程分析, 通常最关心蠕变的第一和第二阶段， 第三阶段蠕变通 常与开始破坏有关(颈缩、损坏), 且时间较短， 因此, ANSYS 中不模 拟第三阶段。
– 第一阶段蠕变的应变率通常远大于第二阶段蠕变。然而, 应变率在第 一阶段逐渐降低而在第二阶段几乎为常值 (对于前面提及的常应力、恒 温下单轴试验情况而言)， 而且第一阶段蠕变时间比第二阶段短。
– 通常由不同应变速率和温度条件下的各种拉伸实验确定相关蠕变常数。
• 假设各向同性行为, von Mises 方程用于计算有效应力, 在蠕变应 变率方程中使用等效应变(与率无关塑性相似)。
September 30, 2001 Inventory #00149ral Nonlinearities 6.0
隐式和显式蠕变
…本章综述
• 本章包括下列主题：
A. 蠕变现象背景 B. 术语定义 C. 一般蠕变方程 D. 隐式蠕变过程 E. 显式蠕变过程 F. ANSYS 蠕变模型的求解过程 G. 隐式蠕变与显式蠕变的比较
Training Manual
September 30, 2001 Inventory #001491 4-3
隐式和显式蠕变
... 蠕变背景
Training Manual
• 尽管对材料科学的详细论述超越了本书的范围，也足以说明前面提 及的物理机理导致蠕变。 蠕变变形与应力、应变、时间和温度的相
关性一般用与下式相似的形式来模拟：
cr f1 f2 f3t f4 T
• 函数f1-4 与选择的蠕变法则有关。