搜索Ansys非线性技术呈现更真实的仿真世界
2017-03-08 by:CAE仿真在线 来源:互联网
在日常生活中,经常会遇到结构非线性的情况。例如,当用钉书机钉书时,金属书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。在汽车行驶过程中,轮胎和路面之间的接触将随着车辆的行进而发生变化。如果将上述情况的载荷变形曲线画出来,我们将发现它们都显示了非线性结构的基本特征——结构刚度发生了改变。
动画: 轮胎与路面接触仿真
引起结构非线性的原因很多,它可以被分成三种主要类型:状态改变、几何非线性、材料非线性。
许多结构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的,也可能是绷紧的。轴套可能是接触的,也可能是不接触的。冻土可能是冻结的,也可能是融化的。这些系统的刚度都是由于系统状态的改变而产生变化。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)。
动画: 橡胶轴套自接触仿真
如果结构经受几何大变形,它几何形状的变化可能会引起结构的几何非线性响应。一个典型的例子就是钓鱼杆,随着垂向载荷的增加,鱼竿不断弯曲以至于力臂明显地减少,导致杆在较高载荷下体现出不断增长的刚性。几何非线性的特点是大位移、大转动。
材料非线性的应力─应变关系也是结构非线性行为的常见原因。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─塑性响应情况下)、环境状况(如温度)、加载的时间总量(如在蠕变响应情况下)。
动画:冲压成型仿真
ANSYS非线性计算的求解器是采用一系列的联立线性方程来预测线性工程系统的响应。在处理非线性结构的问题时,同样可以采用一系列的带校正的线性近似来求解非线性问题。
一种近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量,可以在一个载荷步的几个子步上施加载荷增量。当每一个增量的求解完成后,继续进行下一个载荷增量之前调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。但是,纯粹的增量近似不可避免地要随着每一个载荷增量积累误差,最终导致结果失去平衡。
ANSYS通过使用牛顿-拉普森平衡迭代的方法来克服这种困难,它迫使在每一个载荷增量的末端达到平衡收敛(在容限范围内)。
在做非线性分析时,我们可能会遇到由于各种原因引起的收敛困难。例如初始分开的接触面引起的刚体位移;大载荷增量引起的不收敛;结构失稳或者大变形引起的网格扭曲。对于这些非线性收敛的问题,ANSYS提供了一系列的手段来处理。常见的非线性问题及处理对策有以下几种:
① 遗漏接触对
需要建立正确的接触形式,可以通过接触自动识别或者General Contact的方式建立接触关系。
② 初始接触刚度不合适
ANSYS
在求解接触问题时,接触刚度对收敛性影响显著。大多数情况下缺省设置有效,但不适于弯曲为主的接触问题。如果出现了不好收敛的信号,例如收敛曲线近似平行于收敛准则,此时选择较小的罚刚度值(FKN),可以使得接触容易收敛。
③ 步长过大
对于大变形的问题,通常需要较多的子步,用以捕捉模型受力过程,如果要施加更复杂的载荷,有时需要使用重启动来不断调整步长。
④ 出现奇异现象
如果出现了奇异现象,往往意味着在物理意义上有限元模型就不正确,例如如果使用点载荷做塑性分析,将不会得到收敛结果。因为,在节点上将会产生奇异,局部的奇异会使整个结构不收敛。这对于接触分析也是一样的。同时如果简化结构或用太粗的网格,造成接触区域是点接触,那么很有可能使问题不收敛。
⑤ 产生刚体位移
出现了此种现象,往往是建模不严谨导致模型有间隙或者穿透,需要在软件中关闭间隙或穿透。
⑥ 分析模型产生振荡
解决方法可以是引入小的摩擦系数加以解决,在接触面上施加一个较小的摩擦系数。
ANSYS把非线性分析当作一系列的线性近似及修正,在求解过程中会不断输出这些近似和修正过程的求解信息,可以在输出文件中查看相关的求解信息,如果没有完全了解错误或警告信息的意义,不应当无视软件的任何错误或警告信息。
随着仿真问题的复杂程度的增加,正确认识非线性问题和处理方法有助于我们解决更复杂的物理现象。非线性分析问题是结构仿真分析的难点。在分析过程中,反复的计算参数调整的尝试有时是必须的,而仿真工程师的经验和有目的性的调试会减少反复尝试的次数。
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