單元的形狀

應該認識到在大應變分析的任何迭代中低劣的單元形狀(也就是,大的縱橫比,過度的頂角以及具有負面積的已扭曲單元)將是有害的。因此,你必須和注意單元的原始形狀一樣注意的單元已扭曲的形狀。(除了探測出具有負面積的單元外,ANSYS程序對于求解中遇到的低劣單元形狀不發(fā)出任何警告,必須進行人工檢查)如果已扭曲的網格是不能接受的,可以人工改變開始網格(在容限內)以產生合理的最終結果(參看圖1)。

圖1 在大應變分析中避免低劣單元形狀的發(fā)展具有小應變的大偏移

小應變大轉動

某些單元支持大的轉動,但不支持大的形狀改變。一種稱作大撓度的大應變特性的受限形式對這類單元是適用的。在一個大撓度分析中,單元的轉動可以任意地大,但是應變假定是小的。大撓度效應(沒有大的形狀改變)在ANSYS/Linear Plus程序中是可用的。(在ANSYS/Mechanical,以及ANSYS/Structural產品中,對于支持大應變特性的單元,大撓度效應不能獨立于大應變效應被激活。)在所有梁單元和大多數殼單元中,以及許多非線性單元中這個特性是可用的。通過打開NLGEOM,ON (GUI路徑Main Menu>Solution>Anolysis Options)來激活 那些支持這一特性的單元中的大位移效應。

應力剛化

結構的面外剛度可能嚴重地受那個結構中面內應力的狀態(tài)的影響。面內應力和橫向剛度之間的聯(lián)系,通稱為應力剛化,在薄的,高應力的結構中,如纜索或薄膜中是最明顯的。一個鼓面,當它繃緊時會產生垂向剛度,這是應力強化結構的一個普通的例子。盡管應力剛化理論假定單元的轉動和應變是小的,在某些結構的系統(tǒng)中(如在圖2(a)中),剛化應力僅可以通過進行大撓度分析得到。在其它的系統(tǒng)中(如圖2(b)中),剛化應力可采用小撓度或線性理論得到。

圖2應力硬化梁

要在第二類系統(tǒng)中使用應力硬化,必須在第一個載荷步中發(fā)出SSTIF,ON(GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)。ANSYS程序通過生成和使用一個稱作“應力剛化矩陣”的輔助剛度矩陣來考慮應力剛化效應。盡管應力剛度矩陣是使用線性理論得到的,但由于應力(應力剛度矩陣)在每次迭代之間是變化的這個事實因而它是非線性的。

大應變和大撓度處理包括進初始應力效應作為它們的理論的一個子集,對于許多實體和殼單元,當大變型效應被激活時〔NLGEOM,ON〕(GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)自動包括進初始硬化效應。

在大變形分析中〔NLGEOM,ON〕包含應力剛化效應〔SSTIF,ON〕將把應力剛度矩陣加到主剛度矩陣上以在具有大應變或 大撓度性能的大多數單元中產生一個“近似的”協(xié)調切向剛度矩陣。例外情況包括BEAM4和SHELL63,以及不把“應力剛化”列為特殊特點的任何單元。對于BEAM4和SHELL63,你可以通過設置KEYOPT(2)=1和NLGEOM,ON在初始求解前激活應力剛化。當大變形效應為ON(開)時這個KEYOPT設置激活 一個協(xié)調切向剛度矩陣選項。當協(xié)調切向剛度矩陣被激活時(也就是,當KEYOPT(2)=1且NLGEOM,ON時)SSTIF對BEAM4和SHELL63將不起作用。

在大變型分析中何時應當使用應力剛化

?對于大多數實體單元,應力剛化的效應是與問題相關的;在大變型分析中的應用可能提高也可能降低收斂性。在大多數情況下,首先應該嘗試一個應力剛化效應OFF(關閉)的分析。如果你正在模擬一個受到彎曲或拉伸載荷的薄的結構,當用應力硬化OFF(關)時遇到收斂困難,則嘗試打開應力硬化。

?應力剛化不建議用于包含“不連續(xù)單元”(由于狀態(tài)改變,剛度上經歷突然的不連續(xù)變化的非線性單元,如各種接觸單元,SOLID65,等等)的結構。對于這樣的問題,當應力剛化為ON(開)時,結構剛度上的不連續(xù)線性很容易導致求解“脹破”。

?對于桁、梁和殼單元,在大撓度分析中通常應使用應力剛化。實際上,在應用這些單元進行非線性屈曲和后屈曲分析時,只有當打開應力剛化時才得到精確的解。(對于BEAM4和SHELL63,你通過設置單元KEYOPT(2)=1激活大撓度分析中〔NLGEOM,ON〕的應力剛化。)然而,當你應用桿、梁或者殼單元來模擬剛性連桿,耦合端或者結構剛度的大變化時,你不應使用應力剛化。

注意:無論何時使用應力剛化,務必定義一系列實際的單元實常數。使用不是“成比例”(也就是,人為的放大或縮小)的實常數將影響對單元內部應力的計算,且將相應地降低那個單元的應力剛化效應。結果將是降低解的精度。

旋轉軟化

旋轉軟化為動態(tài)質量效應調整(軟化)旋轉物體的剛度矩陣。在小位移分析中這種調整近似于由于大的環(huán)形運動而導致幾何形狀改變的效應。通常它和預應力[PSTRES](GUI路徑Main Menu>Solution>Analysis Options)一起使用,這種預應力由旋轉物體中的離心力所產生。它不應和其它變形非線性,大撓度和大應變一起使用。旋轉軟化用OMEGA命令中的KPSIN來激活(GUI路徑Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Structural-Other>Angular Velocity)。