04 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 一般过程
ANSYS 结构培训大纲
服务条款一．软件培训，3天（客户现场）1. 目标：ANSYS工程师能够掌握软件的正确操作，熟悉ANSYS的界面及对应功能的具体步骤，对模型失效的原因和结果有初步的判断，能够独立出CAE仿真报告；2. 内容：详见下面附课程表；3. 参加人员：CAE分析人员、CAE主管，新进员工。
二．新进工程师技术保障如果甲方有工程师离职或有新进人员，而新入职人员需要培训，维护期内可免费通过电话或者邮件进行ANSYS的相关支持工作，如果遇特殊情况，可到客户现场进行相关技术的讲解和解答，保证企业人员的可持续性。
三．现场支持服务维护期内提供技术支持工程师1年2次到客户工厂现场技术支持。
可提供ANSYS软件疑难解答探讨等。
四．售后服务承诺（一）技术支持与服务1. 现场技术支持与服务：解决软件应用技术难点问题，并在持续的服务过程中，分享流程应用及企业标准工作中的最佳实践，并协助实施。
2. 电话、邮件、网络远程服务支持：协助解决软件在实际应用过程中出现的问题以技术难点的支持和解答。
3. 最佳应用实践分享：为客户提供同类产品的经验分享以及技术交流研讨会。
4. 客户可免费参加在线研讨会与特别课题研讨与交流会等，并可定期获得技术信息资料的分享。
（二）服务承诺1. 技术响应时间不超过24小时，在48小时内给予技术支持反馈。
2. 在电话、邮件、网络等远程支持不能解决问题的情况下，去现场进行支持服务。
3. 维护期到期后，供方仍需提供在线的技术支持，包括电话、邮件、远程等形式的支持与服务。
附1：ANSYS 结构培训3天一．软件培训，3天（客户现场）ANSYS结构培训。
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。
06 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 高级接触解析
• Tolerance Type, Tolerance Value, and Tolerance
Slider: CAD 系统创建的装配体可能没有精确装配, 导致两 体间的接触区域有小的重合或间隙. 可指定接触探测容差 来解决任何的不精确 (只适用于自动接触探测).
4-7
Workbench Mechanical - Advanced Contact
– 如图所示，当前指针位置出现一圆.
图示说明用户定义的接 触探测容差值 CAD 部件间存在的 间隙
4-8
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
• 实体和面体间可得到的接触探测类型:
– 面/面: 不同体面间的接触 – 面/边: 不同体的面和边间的接触 – 边/边: 不同体边间的接触
4-6
Workbench Mechanical - Advanced Contact
...自动接触探测选项
Training Manual
• 接触默认设置和自动探测能力对大多接触问题有效. 然而, 可以执行这些额外 控制来放宽分析的接触范围 :
• Generate Contact on Update:若该选型设为Yes ，输入 模型(最新的)时自动创建面/面接触区域. 设置为 „No‟ 仍然 允许手动激活自动生成接触, 或手动构建接触区域.
...自动接触探测选项
Training Manual
• 优先权: 对非常大的模型，接触对的数量有时候是过剩的，特别是当允许多 种接触类型时.
• 209个部件 • 450 个对称接触对 • 115万个自由度
4-10
Workbench Mechanical - Advanced Contact
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（上）：几何非线性（3）——屈曲
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（上）：几何非线性（3）——屈曲本文可能是您能在网络上找到得有限元计算屈曲最详细最接地气得文章。
图惜原本计划将屈曲写入几何非线性一文，后来发现内容太多，所有拎出来单独做一个专题。
在屈曲计算中，特别是非线性屈曲计算中，很多初学者也和图惜一样，有很多疑问，此文将针对初学者常见的问题做通俗详细的解读，其中一定有您想要的答案。
1 屈曲的概念结构失稳即屈曲，最常见的便是压杆失稳现象。
压杆稳定示意图如下，在稳定点之前，支反力呈线性增长，逐渐达到一个极值，之后支反力降低，这个极值便是屈曲极限。
屈曲极限往往远小于材料的屈服强度，屈曲分析的目的在于找出结构的屈曲极限，分析出结构的安全载荷、或对结构进行相应优化设计提高屈曲极限。
分析屈曲有两类方法，一类是线性特征值屈曲，用于计算理想线性屈曲极限，一类是非线性分析，用于计算零件因初始缺陷、材料、几何、接触等引起的非线性屈曲，而非线性分析又分为前屈曲分析和后屈曲分析。
很多结构设计是以理想线性屈曲极限除以一个安全系数作为设计依据，但是如果要探究结构的实际屈曲极限，有必要进行非线性屈曲分析。
特征值模态只是结构的线性特征,是结构在受荷载情况下能量最小的变形模式，不是真实变形。
最终采用大变形方法计算得到的结果才是结构真正的破坏状态。
2 线性屈曲在Ansys Workbench中，进行线性屈曲分析的是特征值屈曲模块。
线性特征值屈曲分析通过提取线性系统的刚度矩阵的奇异特征值，以获得结构临界失稳载荷以及失稳模态。
线性特征值屈曲分析不考虑初始结构缺陷与非线性因素的影响，计算较快，计算精度不如非线性屈曲，特别是对于复杂模型。
但是计算的特征值对结构稳定性评价有一定帮助，例如，求解出密集排列的负载乘数，则表明该结构对初始缺陷敏感；求解出稀松排列的负载乘数，则表明该结构对初始缺陷不敏感。
需要强调的是，线性特征值屈曲计算得到的失稳模态变形结果，并不是真实结构失稳后的结构最大位移。
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（上）：几何非线性（1）
AnsysWorkbench工程应用之——结构非线性（上）：几何非线性（1）在上一篇文章中，我们已经对非线性有了初步的了解，本文将详细介绍几何非线性，以及非线性的计算原理。
本文较长，将分为上下两篇。
1 大变形选项在线性计算中，结构的刚度矩阵是不变的，而且不应用非线性收敛准则。
大变形Large Deflection只是一种算法，它考虑了结构变形后的刚度矩阵重建。
理论上来说，开启大变形后计算精度更高，但是将消耗更多的计算资源和时间。
所以在小变形、小转动等问题中，无需开启大变形选项。
假设构件转角为α，小转动时，构成结构刚度矩阵的三角函数因子cosα≈1，所以无需开启大变形选项。
而当大变形、大转动时，cosα与1相差较大，此时重建刚度矩阵是必要的。
如果出现了大变形、大转动，程序计算后会跳出警告信息，提示用户开启大变形选项。
一般工程经验上，对于普通精度要求的问题，变形超过5%或转角超过10°时，建议打开大变形开关。
2 非线性控制2.1收敛求解的原理在非线性求解中，真实的载荷-位移曲线是未知的，不能直接使用一组线性方程得到结果，而需要使用一系列的线性方程迭代，逼近非线性解。
有限元计算中使用的迭代过程为Newton-Raphson方法，简称牛顿法，达到收敛的迭代称为平衡迭代。
牛顿法的原理如下：在牛顿法中，第一次迭代，施加总载荷Fa。
得到位移结果x1。
根据位移，算出内力F1 。
如果Fa≠F1，系统不平衡。
因此，根据当前的条件，计算新的刚度矩阵（虚线的斜率）。
Fa-F1的值称为不平衡力或残余力。
残余力达到足够小时，求解收敛。
重复以上过程，直到Fa=Fi。
在这个例子之中，四次迭代之后，系统达到平衡，求解收敛。
实际计算中，残差Fa-Fi不可能正好等于0，所以规定只要残差小于一个规定的微小量，就认为计算已经收敛了，这个微小量就是力收敛准则，此处以[R]表示，即Fa-Fi＜[R]，则达到收敛。
每一次迭代中，当残差小于[R]表现为收敛，大于[R]表现为发散。
11 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 作业 面体接触诊断工具解析
目标单元法向
接触单元法向
WS7A-13
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
Workshop Supplement
• 从接触区域细节窗口, 将 ‘contact shell face’ 从Bottom 切换到 Top . 红色高亮显 示的接触侧应转换.
• 求解…
WS7A-7
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
• 求解后, 高亮显示求解信息并滚动到输出的底部.
Workshop Supplement
– 尽管定义了无摩擦接触，自动时间步，大变形和子步，但求解只有一次迭代!
WS7A-14
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
• 高亮显示 Solution Information Set Newton-Raphson Residuals = 3
Workshop Supplement
WS7A-4
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
• 回到项目示图区
– Utility Menu > Return to Project
Workshop Supplement
• 双击 Model 打开 FE模型(Mechanical Session) (或 RMB=>Edit…)
WS7A-10
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
09 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 错误诊断
... 求解信息
Training Manual
2) Solver Output 记录了根据指定的单元(中节点)选择激活的单元技术和相 关的材料，参照附录B中更多关于单元技术的细节.
高阶单元的弹性材料或 金属塑性 Default URI 低阶单元的2D平面应力 弹性材料或金属塑性
Enhanced Strain
• 单元畸变通常是由于载荷过大或过度约束所造成的严重问题。对分载荷会自动进行， 但有时会需要一些修正措施来解决这个问题。
7-11
Workbench Mechanical - Diagnostics
... 求解信息
7) 最后, 当求解完成以后，在求解输出窗 口的最后会提供一些本次分析的统计数 据。 求解时间与计算其它单元的时间的百分 比以及整个方程的求解时间.
Training Manual
从Solver Section 2 回顾列出的接触区 域名称和ID号. 从那个例子可知，以上 的接触实常数号9 是 “Teeth 3” 区域部 分.
7-9
Workbench Mechanical - Diagnostics
... 求解信息
Training Manual
敛曲线, 例如，绘制力敛曲线.
Text Output
Graphical Output
7-3
Workbench Mechanical - Diagnostics
... 求解信息
Training Manual
• 信息窗口 “Messages” 位于Solution Information Worksheet正下方，提供了 一些警告错误的列表.
... 求解信息
•
Training Manual
ANSYS Workbench结构工程实例专题培训
图 9 0.072542s 时刻的温度云图
图 10 制动滑块某一点上的温度与时间的关系
6.弹簧片夹具接触有限元分析
6.1.问题的描述 如图所示弹簧片夹具结构由滑块，弹簧片和 C 型夹具组成。
图 1 弹簧片夹具结构模型
6.2.模型的材料 滑块，弹簧片和 C 型夹具的材料都有结构钢，各个接触对的摩擦系数为 0.2.
2.2.模型的材料
图 1 圆盘和轴的过盈配合模型
轴和圆盘的材料都为结构钢，二者之间的摩擦系数为 0.25.
2.3.边界条件（工况）
轴和圆盘的之间的过盈量为 0.00001m，该模型为平衡结构，因此打开弱弹簧 进行计算。
2.4.计算结果
图 2 过盈配合结构的变形云图
图 3 过盈配合结构的等效应力云图
3.滑道接触有限元计算
图 8 摩擦系数为 0.9 时 1 阶模态振型云图
图 9 摩擦系数为 0.4 时 1 阶模态振型云图
9.基于内聚力模型的界面裂纹扩展有限元计算
9.1.问题的描述 如图 1 所示给出了界面裂纹扩展模型，该模型有上下两块板组成，并且存在
初始裂纹。
图 1 界面裂纹扩展模型
9.2.模型的材料 两块板的材料都为结构钢，界面的材料模型采用内聚力模型，计算参数： 最大拉伸应力=2E6Pa，界面开裂的临界能量释放率=0.28E3。 9.3.边界条件（工作工况） 在板的末端完全固定，在两块板的预制裂纹的上下线处施加 Y 方向位移为 0.01m。 9.4.计算结果
在较大的钢板底面施加固定约束，在较小的钢板顶面施加 0.2MPa 压力。 8.4.计算结果
图2 绑
定接触固有频率 图 3 摩擦系数为 0.1 的固有频率 图 4 摩擦系数为 0.3 的固有频率
09ANSYS13.0Workbench结构非线性培训错误诊断剖析.
Workbench Mechanical - Diagnostics
... 求解信息
4) 当方程求解开始以后，输出窗口如右图所示 这里有用的信息包括求解器的选用 (是“Program Chosen” 或手动设定)、 大变形效应是否打开、是否考虑材料非 线性(如果出现塑性)和所使用的子步数.
这一部分的求解器输出并不是很关键， 但它给出了矩阵什么时候被求解及在 Simulation中进行了哪些求解设置.
Training Manual
7-8
Workbench Mechanical - Diagnostics
... 求解信息
5) 随后将会列出接触单元的细节. 这里，将列出有关接触单元的各种选项包括 接触Normal Stiffness 和Pinball 半径 任何注意或警告信息都会对观察有用. 例如，在这里会给出初始渗透或缝隙大小 (以当前的长度单位)。
6) 随着非线性求解的进行，平衡迭代的信息将会显示在窗口的底部(下图)
• 注意，在每一次平衡迭代中，残余力(FORCE CONVERGENCE VALUE) 必须小于准 则 • 一个理想的平衡系统，残差或不平衡力应该为零。但由于机器的精度和实际的考虑， Simulation将确定一个小到几乎可以忽略所造成的误差的残差值。这个值就是准则 , 而力收敛准则值必须小于准则 以使这个子步收敛。 • 在下面分析中，经过3次平衡迭代，残余力小于准则, 因此，求解收敛. • 通知信息 (例如收敛或对分) 子输出窗口中将以“>>>” 和 “<<<“标识.
Training Manual
需要指出的是虽然在Simulation中接触 区域可以使用任何名字，ANSYS 求解器只根 据接触区域的唯一编号来进行处理(ID编号). 找到接触区域的ID编号对于程序调试非常有用。 例如，在上面的片段中，接触区域 “Teeth 3” 的 接触编号为9 和 10.
11 ANSYS13.0 Workbench 结构非线性培训 作业 面体接触诊断工具
Workshop Supplement
• 再次求解
WS7A-15
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
• 从求解信息中看到, 已正常接触, 但几次迭代后收敛失败.
Workshop Supplement
WS7A-16
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
– 这可以通过对接触单元添加一个如下命令来校正: KEYOPT,cid,11,1 (参见 单元手册中的 CONTA174 和帮助中KEYOPT 命令) – 这个命令包括壳厚度的调整.
WS7A-21
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
WS7A-3
Workbench Mechanical – Structural Nonlinearities
…作业 7A: 诊断
项目示图区应如右图所示.
– 从示图区, 可看到已定义了Engineering (材料) Data 和Geometry (绿色对号标记). – 接下是在Mechanical中建立和运行有限元模型 Mechanical – 打开 Engineering Data (高亮并双击 或点击鼠标右 键并选择Edit) 来校正材料属性. – 检验单位是公制 (Tonne,mm,…) 系统. 如果不是, 点击… • Utility Menu=>Units=>Metric(Tonne, mm,..)
…作业 7A: 诊断
头两个收敛子步代表两部件间小间隙正在闭合，接触还没建立.