ANSYS非线性_结构分析
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。
基于ANSYS的钢筋混凝土框架非线性分析的开题报告
基于ANSYS的钢筋混凝土框架非线性分析的开题报告1. 研究背景和意义钢筋混凝土结构是现代建筑中广泛使用的结构形式之一。
在建筑结构设计中，非线性分析是许多工程问题中的关键，钢筋混凝土框架非线性分析是在重要荷载作用下结构响应分析中普遍应用的方法。
在钢筋混凝土结构设计和施工中，为确保结构安全和可靠性，需要使用计算机模拟工具进行结构分析和设计。
2. 研究内容本文将使用ANSYS软件进行建筑结构的非线性分析，通过使用ANSYS进行非线性分析，分析结构在重要荷载下的响应。
本文将对框架结构的受力分析、节点位移分析、应力-strain关系曲线分析、裂缝形态分析等方面进行研究。
3. 研究方法本文将使用ANSYS软件进行模拟分析，包括有限元模拟、非线性分析、边界条件的设计和模拟结果分析等方面。
在进行有限元模拟前，首先进行结构建模，根据结构的实际布局和特点进行建模，然后设置合适的边界条件，配置荷载，并进行非线性分析。
4. 研究进度计划本文研究工作的进度计划如下：第一阶段：对钢筋混凝土框架结构进行有限元建模和边界条件设置；第二阶段：进行静力荷载的平衡计算和结构的非线性分析；第三阶段：对模拟结果进行分析，并对模拟模型进行优化。
5. 预期研究结果本文预期研究结果包括：结构的受力分析、节点位移分析、应力-strain关系曲线分析、裂缝形态分析等方面。
通过分析模拟结果，研究框架结构在受力分析、应力-strain关系曲线分析、裂缝形态分析等方面的特性和规律，为建筑结构设计和施工提供参考和指导。
6. 参考文献：- Carpinteri, A., 2008. Fracture of concrete and rock: SEM images. CRC press.- Mosalam, K., Anagnos, T. and Pister, K., 1999. Finite element modeling of reinforced concrete members under seismic loads. Computers & Structures, 72(1-3), pp.243-257.- Ganesan, N. and Narayanan, R., 1998. Nonlinear finite element analysis of RC beams with FRP reinforcement. Computers & structures, 67(2), pp.167-184.- Orangun, C.O. and Livaoglu, R., 2009. Seismic performance assessment of existing reinforced concrete buildings designed without earthquake-resistant requirements. Structural Engineering and Mechanics, 31(4), pp.429-448.。
ANSYS结构非线性分析指南
ANSYS结构非线性分析指南ANSYS是一个强大的工程仿真软件，能够对各种复杂的结构进行分析。
其中，结构非线性分析是其中一种重要的分析方法，它能够模拟结构在非线性载荷和变形条件下的行为。
本文将为您提供一个ANSYS结构非线性分析的指南，帮助您更好地理解和应用这个方法。
首先，我们需要明确结构非线性分析的目标。
一般来说，结构非线性分析主要用于研究结构在大变形、材料非线性、接触或摩擦等复杂条件下的响应。
例如，当结构受到极大的外力作用时，其产生的变形可能会导致材料的非线性行为，这时我们就需要进行非线性分析。
在进行非线性分析之前，我们需要进行准备工作。
首先，我们需要准备一个几何模型，可以通过CAD软件导入或者直接在ANSYS中绘制。
然后，我们需要选择合适的材料模型，这将直接影响分析结果的准确性。
ANSYS提供了多种材料模型，例如线弹性模型、塑性模型和粘弹性模型等。
接下来，我们需要定义边界条件和载荷。
边界条件指明了结构的固定边界和自由边界，这决定了结构的位移约束。
载荷是作用在结构上的外力或者外界约束，例如压力、点载荷或者摩擦力等。
在非线性分析中，载荷的大小和施加方式可能会导致结构的非线性响应，因此需要仔细选择。
接下来，我们需要选择适当的非线性分析方法。
ANSYS提供了多种非线性分析方法，例如几何非线性分析、材料非线性分析和接触非线性分析等。
几何非线性分析适用于大变形情况下的分析，材料非线性分析适用于材料的弹塑性行为分析，而接触非线性分析适用于多个结构之间的接触行为分析。
在进行非线性分析之前，我们需要对模型进行预处理，包括网格划分和解算控制参数的设置。
网格划分的精度会直接影响分析结果的准确性，因此需要进行适当的剖分。
解算控制参数的设置涉及到收敛性和稳定性的问题，需要进行合理的调整。
然后，我们可以进行非线性分析了。
ANSYS提供了多种求解器，例如Newton-Raphson方法和弧长法等。
这些求解器可以通过迭代算法来求解非线性方程组，得到结构的响应结果。
ANSYS-6-非线性分析应用
第六章 钢筋混凝土结构非线性分析应用§6.1截面非线性分析例 1: 钢筋混凝土单筋矩形截面，混凝土和钢筋的应力-应变关系选自CEB 模型规范（1990），见下图6-1-1，图 6.1-1 截面和材料应力-应变关系极限弯矩 M u : 用弧长法对截面进行全过程分析，对给定的弯矩M y , 计算相应的截面应变平面({}[]T z y ϑϑεε0=).计算不平衡弯矩及相应的应变平面增量，直至满足收敛条件。
再增加弯矩∆M y , 计算相应的应变平面增量，等等，图6-1-2为截面弯矩-曲率关系曲线。
图 6.1-2 弯矩-曲率关系曲线 例2: 采用不同应力-应变关系（EC2规范, CEB 规范），钢筋混凝土矩形截面的几何尺寸和配筋同例1，非线性分析结果见图6-1-4。
力-应变关系随应变而逐渐的降低，截面刚度降低的也比较缓慢。
图 6.1-4 CEB 规范与EC2 规范建议的应力-应变关系截面分析结果比较例 3: 异形截面非线性分析. 此例Georg Knittel [32]计算过，Knittel 选择的材料应力应变关系取自德国规范DIN 1045(见图 6.1-5). 截面形状和尺寸见图6.1-6. Knittel 分析的截面极限承载力为，{}{}N M M y z T T=--005026000075... 相应的应变矢量为，{}{}{}TT z y 009343.0006976.0004359.00--==ϑϑεε. 用弧长法分析时取的参照荷载值为，{}{}N M M yz T T =--00050026000075... 截面极限荷载为，{}{}N M M y z T T =--004991490263211600076718...(a) DIN 1045建议的混凝土应力-应变关系 (b) DIN 1045建议的钢筋应力-应变关系图 6.1-5 DIN 1045规范建议的应力-应变关系图 6.1-6 钢筋混凝土柱截面图 6.1-7 极限状态时混凝土压应力分布图 6.1-8 弯矩-曲率(M y- y) 关系曲线§6.2 受弯和偏压构件非线性分析6.2.1 简化计算利用虚功原理计算荷载挠度曲线：设两点集中加载简支梁，弯矩图、曲率分布图如下，图6-2-1 梁内力与变形取支撑条件相同的简支梁为虚梁，拟求跨中挠度，在虚梁跨中施加单位荷载（求转角加单位力矩）。
【ANSYS非线性分析】Ansys_几何非线性基础
October 15, 2001 Inventory #001565
5-19
几何非线性基础 … 综述
• 一般地: • ANSYS 将工程应力和工程应变用于小位移分析或仅支持大挠度单元的大位移
分析. • ANSYS 将对数应变和真实应力用于支持大应变的大多数单元的大挠度. • Mooney-Rivlin 超弹性例外, 见下表所示.
“大” 是与问题相关的.
在ANSYS中, 术语大挠度 和大转动 可以相互交换使用.
大挠度理论考虑了大转动, 但是它假设应变是小应变. 还固有地考 虑了应力刚化效应.
大应变 大转动 应力刚化
大挠度理论是大应变理论的子集.
October 15, 2001 Inventory #001565
5-25
几何非线性基础 ... 三类几何非线性
5-4
几何非线性基础 … 综述
3 如果单元的应变产生较大的平面内应力状态 (膜应力), 平面法向 刚度将受到显著的影响.
F
Y
F
X
uy
随着垂直挠度的增加 (UY), 较大的膜应力 (SX) 导致刚化效应.
October 15, 2001 Inventory #001565
5-5
几何非线性基础 … 综述
应力刚化: 一个零件中的应力状态会影响到该零件的刚度. 随着张力的增大, 电缆的横向刚度增加. 随着压缩量的增大, 柱体横向刚度下降 (最终导致完全丧失刚度 –
如, 屈曲). 当应力刚化被激活时, 程序计算应力刚度矩阵, 并将它添加到原始
刚度矩阵去包含此效应. 应力刚度矩阵仅仅是应力和几何的函数. 应力刚度矩阵使切向刚度矩阵更加一致 (一般会改善收敛).
应变
ansys高级非线性分析-第九章几何不稳定性
失稳准则、米泽斯失稳准则和霍夫失稳准则等。
这些判据可以帮助我们确定结构的临界载荷和失稳模式，从而
03
采取相应的措施来提高结构的稳定性。
几何不稳定性的影响因素
材料性质
材料的弹性模量、泊松比、屈 服强度等都会影响结构的稳定
性。
结构形状和尺寸
结构的形状、尺寸、支承条件 等都会影响其稳定性。
外部载荷
外部载荷的大小、方向和分布 也会影响结构的稳定性。
案例二：高层建筑的几何不稳定性分析
总结词
高层建筑的几何不稳定性分析是确保高层建筑结构安全的重要环节。
详细描述
利用ANSYS的高级非线性分析功能，可以对高层建筑在不同风载、地震等载荷作 用下的结构响应进行模拟，评估其稳定性和安全性，为设计提供依据。
案例三：重型机械的几何不稳定性分析
总结词
重型机械的几何不稳定性分析是确保 重型机械在各种工况下安全运行的关 键。
02
几何不稳定性分析在复杂边界条件、多物理场耦合等方面的研究尚不够深入， 需要进一步拓展研究范围，完善分析方法。
03
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，几何不稳定性分析的计算效率和 精度将得到进一步提高，为工程实际提供更加准确和可靠的理论支持。
THANKS
感谢观看
现象。
在非线性分析中，需要考虑 结构在变形过程中形状和尺 寸的变化，以及由此引起的
力和位移的重新分布。
几何非线性行为通常出现在大 变形、应力刚化、旋转软化和
塑性流动等情况下。
几何不稳定性判据
01
几何不稳定性是指结构在某些条件下失去稳定性，发生屈曲或 失稳的现象。
02
判据是用来判断结构是否稳定的准则，常用的判据包括：欧拉
利用ANSYS对钢筋混凝土结构的非线性分析
． 用 多线性 等 向强 化模 型 ＭＩＯ模 拟 ， 升段 采用 Ｇ ０ １ — ０ ３ １ 非预 应 力钢 筋混凝 土 梁非线性 分析 Ｓ 上 Ｂ ５０ ０２ ２ ０ 本文梁截面尺寸为 １０ｉ ｑ ２０ｍＴ× ０ ｌ， ２ ｎ × ４ ｌ ３７０ｍｎ 两端采用铰 ｎ ｌ 规 定的公式 ， 降段 采用 Ｅ・Ｈ ｇｅｔ 下 ｏｎ ｓ ｄ建议 的模 型 ， 图 １所 ａ 如
２ １ 网 格 划 分 ．
结构分析 中网格 的疏密及形状对 结果 的好 坏影响很 大 ， 时 有 还会导致计算错误 。 由于本 文为 矩形截 面梁 ， 状规则 ， 形 用控 制
ＳＺ ０ｍ ７ 划分 成六 面体等 参 性材料 ， 以对预应力 和非预应力钢筋混 凝土结 构进行非 线性 分 边长 Ｅ ＩＥ＝５ ｍ划分后 约 １７６个单元 ， 所 单元计算结果较好 。 析 时都属 于材料非线 性 的问题 。Ａ Ｓ Ｓ分 析软件 中有 很多单 ＮＹ
满足工 程设 计 中的精 度 ， 预应力 筋采用 ３ —ｉ ８单元 模拟 ， 粘 ３ 计 算 示例 Ｄ Ｌｎ ｋ 有 用 Ａ Ｓ Ｓ分别对预应力和非 预应力钢 筋混凝土 矩形梁进 行 ＮＹ 结 预应 力筋的预应力采用 降温法 和初应变法分别计算分析 。
１ ２ 本 构关 系的选择 ．
了非线性分析 ， 对计算结果与理论值进行 了比较 ， 并绘制 出跨 中危
从中可以看 出｛ 凝 土开裂荷 载、 昆 钢筋屈服荷 混凝土为弹 塑性 材料 ， 考虑 其非线 性 的影 响 ， 需 分析 时采 用 险点的荷载 位移 曲线 ， 载， 限荷载及相应的跨 中位移值 ， 极 计算 中不考虑 自重的影响。 Ｗｉａ Ｗａｎ ｅ 破坏 准则 ， ｌｍ— ｒｋ ｒ ｌ 混凝 土单 轴 向受压应力一应 变 曲线 采
Ansys Workbench非线性分析 牛顿辛普森法过程
然而, 相当多的结构在力和位移之间没有线性关系 因为此类结构的 F-u 图不是直线, 这样的结构称为非线性结构 . – 刚度不再是一个常数K; 它成为施加载荷的函数, KT (切 线刚度). 普通的例子是韧性金属的拉伸试验:
载荷位移曲线
Fa Fnr
R
下一次迭代用刚度矩阵
u0 △ u u1
u0: 所设初始位移值
u
位移
KT :切向刚度
u1: 下次迭代位移值
R F a F nr
收敛： Newton-Raphson法需要一个收敛的度量以决定 何时结束迭代。给定节点Fa，节点力Fnr ，在一个体 中，节点载荷必须与节点力平衡
高级接触选项包括： 自动探测尺寸 Auto detection dimension and slider 非对称接触Asymmetric contact 接触结果工具Contact results tool 接触算法contact formulations Pinball 控制
膜片弹簧接触设置
带支撑环的膜片弹簧边界条件及求解设置
3 2 F1 269.991 2981 1 9238 1
膜片弹簧大端载荷-位移曲线
3 2 F1 269.991 2981 1 9238 1
注：膜片弹簧载荷挠度曲线为非线性，是由于大变形引起 的几何非线性，但材料始终发生的是弹性变形，没有发生 塑性变形
回忆材料力学中低碳钢力学性能试验
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目录
非线性结构分析的定义 (1)
非线性行为的原因 (1)
非线性分析的重要信息 (3)
非线性分析中使用的命令 (8)
非线性分析步骤综述 (8)
第一步：建模 (9)
第二步：加载且得到解 (9)
第三步：考察结果 (16)
非线性分析例题（GUI方法） (20)
第一步：设置分析标题 (21)
第二步：定义单元类型 (21)
第三步：定义材料性质 (22)
第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22)
第五步：产生矩形 (22)
第六步：设置单元尺寸 (23)
第七步：划分网格 (23)
第八步：定义分析类型和选项 (23)
第九步：定义初始速度 (24)
第十步：施加约束 (24)
第十一步：设置载荷步选项 (24)
第十二步：求解 (25)
第十三步：确定柱体的应变 (25)
第十四步：画等值线 (26)
第十五步：用Post26定义变量 (26)
第十六步：计算随时间变化的速度 (26)
非线性分析例题（命令流方法） (27)
1
2
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
3
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。
逐步递增载荷和平衡迭代
一种近似的非线性救求解是将载荷分成一系列的载荷增量。
可以在几个载荷步内或者在一个载步的几个子步内施加载荷增量。
在每一个增量的求解完成后，
继续
4
进行下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。
遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终 失去平衡，如图1─3（a ）所示所示。
.
（a ）纯粹增量式解 （b)全牛顿－拉普森迭代求解（2个载荷
增量）
图8─3 纯粹增量近似与牛顿－拉普森近似的关系。
ANSYS 程序通过使用牛顿－拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。
图1─3（b)描述了在单自由度非线性分析中牛顿－拉普森平衡迭代的使用。
在每次求解前，NR 方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值。
程序然后使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。
如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。
持续这种迭代过程直到问题收敛。
ANSYS 程序提供了一系列命令来增强问题的收敛性，如自适应下降，线性搜索，自动载荷步，及二分等，可被激活来加强问题的收敛性，如果不能得到收敛，那么程序或者继续计算下一个载荷前或者终止（依据你的指示）。
对某些物理意义上不稳定系统的非线性静态分析，如果你仅仅使用NR 方法，正切刚度矩阵可能变为降秩短阵，导致严重的收敛问题。
这样的情况包括独立实体从固定表面分离的静态接触分析，结构或者完全崩溃或
者“突然变成”另一。