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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非线性接触分析和设置设置实常数和单元关键选项程序使用20个实常数和数个单元关键选项，来控制面─面接触单元的接触。
参见《ANSYS Elements Reference》中对接触单元的描述。
实常数在20个实常数中，两个(R1和R2)用来定义目标面单元的几何形状。
剩下的用来控制接触面单元。
R1和R2 定义目标单元几何形状。
FKN 定义法向接触刚度因子。
FTOLN 是基于单元厚度的一个系数，用于计算允许的穿透。
ICONT 定义初始闭合因子。
PINB 定义“Pinball"区域。
PMIN和PMAX 定义初始穿透的容许范围。
TAUMAR 指定最大的接触摩擦。
CNOF 指定施加于接触面的正或负的偏移值。
FKOP 指定在接触分开时施加的刚度系数。
FKT 指定切向接触刚度。
COHE 制定滑动抗力粘聚力。
TCC 指定热接触传导系数。
FHTG 指定摩擦耗散能量的热转换率。
SBCT 指定Stefan-Boltzman 常数。
RDVF 指定辐射观察系数。
FWGT 指定在接触面和目标面之间热分布的权重系数。
FACT 静摩擦系数和动摩擦系数的比率。
DC 静、动摩擦衰减系数。
命令：RGUI：main menu> preprocessor>real constant对实常数FKN, FTOLN, ICONT, PINB, PMAX, PMIN, FKOP 和FKT，用户既可以定义一个正值，也可以定义一个负值。
程序将正值作为比例因子，将负值作为绝对值。
程序将下伏单元的厚度作为ICON，FTOLN，PINB，PMAX 和PMIN 的参考值。
例如ICON = 表明初始闭合因子是“*下层单元的厚度”。
然而，ICON = 则表示真实调整带是单位。
如果下伏单元是超单元，则将接触单元的最小长度作为厚度。
参见图5-8。
图5-8 下层单元的厚度在模型中，如果单元尺寸变化很大，而且在实常数如ICONT, FTOLN, PINB, PMAX, PMIN 中应用比例系数，则可能会出现问题。
ANSYS非线性分析（控制选项）1、非线性分析（1）牛顿-拉普森选项（NROPT）仅在非线性分析中使用这个选项，。
这个选项制定在求解期间每隔多长时间修正一次正切矩阵。
可以指定下列值中的一个: 程序选择（NROPT，AUTO）。
程序根据模型中存在的非线性种类自动选用这些选项中的一个。
在需要时牛顿-拉普森方法将自动激活自适应下降。
完全牛顿-拉普森选项（NROPT，FULL）。
程序使用完全的牛顿-拉普森处理方法，在这种处理方法中每进行一次平衡迭代都修改刚度矩阵一次。
如果自适应下降是关闭的，程序每一次平衡迭代都使用正切刚度矩阵。
如果自适应下降是打开的，只要迭代保持稳定，程序仅适用正切刚度矩阵。
如果在某一次迭代过程中检测到发散倾向，程序将抛弃发散的迭代并重新开始求解，此时应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。
当迭代重新回到收敛模式是程序将重新开始使用正切刚度矩阵。
对复杂的非线性问题自适应下降统称能提高程序获得收敛的能力。
修正牛顿-拉普森选项（NROPT，MODL）。
程序使用修正的牛顿-拉普森方法，在这种方法中正切刚度矩阵在每一步中都被修正，在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。
这个选项不适应于大变形分析，而且无法使用自适应下降。
初始刚度（NROPT，INIT）。
程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵，该选项可以使迭代过程更容易收敛，但需要更多迭代次数得到收敛。
该选项不适用于大变形分析，求自适应下降不可用。
（2）指定载荷步选项这些选项可以在任何载荷中改变。
下列选项适用于非线性分析：l 普通选项在普通选项包括：Time（TIME）。
ANSYS程序借助在每一个载荷步末端指定TIME参数识别出载荷步和子步。
使用TIME命令可以用来定义受某些实际物理量限制的TIME值。
程序通过这个选项来指定载荷步的末端时间。
时间步的数目（NSUBST）和时间步长（DELTIM）。
非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步或时间步，从而ANSYS可以逐渐施加所给定的载荷，逐步得到精确解。
1几何非线性分析随着位移增长，一个有限单元已移动的坐标可以以多种方式改变结构的刚度。
一般来说这类问题总是是非线性的，需要进行迭代获得一个有效的解。
大应变效应一个结构的总刚度依赖于它的组成部件（单元）的方向和单刚。
当一个单元的结点经历位移后，那个单元对总体结构刚度的贡献可以以两种方式改变变。
首先，如果这个单元的形状改变，它的单元刚度将改变。
（看图2─1(a)）。
其次，如果这个单元的取向改变，它的局部刚度转化到全局部件的变换也将改变。
（看图2─1（b)）。
小的变形和小的应变分析假定位移小到 足够使所得到的刚度改变无足轻重。
这种刚度不变假定意味着使用基于最初几何形状的结构刚度的一次迭代足以计算出小变形分析中的位移。
（什么时候使用“小”变形和应变依赖于特定分析中要求的精度等级。
相反，大应变分析说明由单元的形状和取向改变导致的刚度改变。
因为刚度受位移影响，且反之亦然，所以在大应变分析中需要迭代求解来得到正确的位移。
通过发出NLGEOM ，ON （GUI 路径Main Menu>Solution>Analysis Options)，来激活 大应变效应。
这效应改变单元的形状和取向，且还随单元转动表面载荷。
（集中载荷和惯性载荷保持它们最初的方向。
）在大多数实体单元（包括所有的大应变和超弹性单元），以及部分的壳单元中大应变特性是可用的。
在ANSYS/Linear Plus 程序中大应变效应是不可用的。
图1─11 大应变和大转动大应变处理对一个单元经历的总旋度或应变没有理论限制。
（某些ANSYS单元类型将受2到总应变的实际限制──参看下面。
）然而，应限制应变增量以保持精度。
因此，总载荷应当被分成几个较小的步，这可以〔NSUBST ，DELTIM ，AUTOTS 〕，通过GUI 路径 Main Menu>Solution>Time/Prequent)。
无论何时当系统是非保守系统，来自动实现如在模型中有塑性或摩擦，或者有多个大位移解存在，如具有突然转换现象，使用小的载荷增量具有双重重要性。
ANSYS结构非线性分析相应步骤及命令流屈服准则概念：1.理想弹性材料物体发生弹性变形时，应力与应变完全成线性关系，并可假定它从弹性变形过渡到塑性变形是突然的。
2.理想塑性材料（又称全塑性材料）材料发生塑性变形时不产生硬化的材料，这种材料在进入塑性状态之后，应力不再增加，也即在中性载荷时即可连续产生塑性变形。
3.弹塑性材料在研究材料塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形的材料这里可分两种情况：Ⅰ.理想弹塑性材料在塑性变形时，需要考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不再增加可连续产生塑性变形。
Ⅱ.弹塑性硬化材料在塑性变形时，既要考虑塑性变形之前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料，这种材料在进入塑性状态后，如应力保持不变，则不能进一步变形。
只有在应力不断增加，也即在加载条件下才能连续产生塑性变形。
4.刚塑性材料在研究塑性变形时不考虑塑性变形之前的弹性变形。
这又可分两种情况：Ⅰ.理想刚塑性材料在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料。
Ⅱ.刚塑性硬化材料在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化材料。
屈服准则的条件：1.受力物体内质点处于单向应力状态时，只要单向应力大到材料的屈服点时，则该质点开始由弹性状态进入塑性状态，即处于屈服。
2.受力物体内质点处于多向应力状态时，必须同时考虑所有的应力分量。
在一定的变形条件（变形温度、变形速度等）下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。
它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件，这种力学条件一般可表示为）＝Cf（σij又称为屈服函数，式中C是与材料性质有关而与应力状态无关的常数，可通过试验求得。
屈服准则是求解塑性成形问题必要的补充方程。
1.1 什么是结构非线性在日常生活中，经常会遇到结构非线性。
第四章材料非线性分析4.1 材料非线性概述许多与材料有关的参数可以使结构刚度在分析期间改变。
塑性、非线性弹性、超弹性材料、混凝土材料的非线性应力—应变关系，可以使结构刚度在不同载荷水平下(以及在不同温度下)改变。
蠕变、粘塑性和粘弹性可以引起与时间、率、温度和应力相关的非线性。
膨胀可以引起作为温度、时间、中子流水平(或其他类似量)函数的应变。
ANSYS程序应可以考虑多种材料非线性特性：1．率不相关塑性指材料中产生的不可恢复的即时应变。
2．率相关塑性也可称之为粘塑性，材料的塑性应变大小将是加载速度与时间的函数。
3．材料的蠕变行为也是率相关的，产生随时间变化的不可恢复应变，但蠕变的时间尺度要比率相关塑性大的多。
4．非线性弹性允许材料的非线性应力应变关系，但应变是可以恢复的。
5．超弹性材料应力应变关系由一个应变能密度势函数定义，用于模拟橡胶、泡沫类材料，变形是可以恢复的。
6．粘弹性是一种率相关的材料特性，这种材料应变中包含了弹性应变和粘性应变。
7．混凝土材料具有模拟断裂和压碎的能力。
8．膨胀是指材料在中子流作用下的体积扩大效应。
4.2 塑性分析4.2.1 塑性理论简介许多常用的工程材料，在应力水平低于比例极限时，应力—应变关系为线性的。
超过这一极限后，应力—应变关系变成非线性，但却不一定是非弹性的。
以不可恢复的应变为特征的塑性，则在应力超过屈服点后开始出现。
由于屈服极限与比例极限相差很小，ANSYS程序在塑性分析中，假设这二个点相同，见图4-1。
图4-1 弹塑性应力-应变曲线塑性是一种非保守的(不可逆的)，与路径相关的现象。
换句话说，荷载施加的顺序，以及什么时候发生塑性响应，影响最终求解结果。
如果用户预计在分析中会出现塑性响应，则应把荷载处理成一系列的小增量荷载步或时间步，以使模型尽可能附合荷载—响应路径。
最大塑性应变是在输出(Jobname.OUT)文件的子步信息中打印的。
在一个子步中，如果执行了大量的平衡迭代，或得到大于15%的塑性应变增量，则塑性将激活自动时间步选项[AUTOTS ](GUI ：Main Menu>Solution> Sol'n Control:Basic Tab 或 MainMenu>Solution>Unabridged Menu> Time /Frequenc>Time and Substps)。
ANSYS 非线性分析命令解析ANSYS应用基于问题物理特性的自动求解控制方法，把各种非线性分析控制参数设置到合适的值。
如果用户对这些设置不满意，还可以手工设置。
下列命令的缺省设置已进行了优化处理：AUTOTS PRED MONITORDELTIM NROPT NEQITNSUBST TINTP SSTIFCNVTOL CUTCONTROL KBCLNSRCH OPNCONTROL EQSLVARCLEN CDWRITE LSWRITE这些命令及其设置在将在后面讨论。
参见《ANSYS Commands Reference》。
如果用户选择自己的设置而不是ANSYS的缺省设置，或希望用以前版本的ANSYS的输入列表，则可用/ SOLU 模块的SOLCONTROL ，OFF命令，或在/ BATCH 命令后用/ CONFIG ，NLCONTROL，OFF命令。
参见SOLCONTROL 命令的详细描述。
ANSYS对下面的分析激活自动求解控制单场的非线性或瞬态结构以及固体力学分析，在求解自由度为UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ的结合时；单场的非线性或瞬态热分析，在求解自由度为TEMP时；注意--本章后面讨论的求解控制对话框，不能对热分析做设置。
用户必须应用标准的ANSYS求解命令或GUI来设置。
2.2 非线性静态分析步骤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过程中，添加了需要的非线形特性。
非线性静态分析是静态分析的一种特殊形式。
如同任何静态分析，处理流程主要由以下主要步骤组成：建模；设置求解控制；设置附加求解控制；加载；求解；考察结果。
2.2.1 建模这一步对线性和非线性分析基本上是一样的，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，参考§4《材料非线性分析》，和§6.1《单元非线性》。
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。
参见《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
在ANSYS中建立了模型后，应该设置求解控制(分析类型、分析选项、荷载步等)选项，施加荷载，最后求解。
非线性分析与线性分析的不同之处是，前者需要许多荷载增量，并且总是需要平衡迭代。
下面讨论一般过程。
参见本章的例子。
2.2.2 设置求解控制设置求解控制包括定义分析类型、设置分析的常用选项和指定荷载步选项。
在做结构非线性静态分析时，可以应用求解控制对话框来设置。
该对话框对许多非线性静态分析提供了缺省设置。
这样，用户需要的设置降低到最少。
求解控制框的缺省设置，基本上与§2.1所述的自动求解控制的设置相同。
由于求解控制对话框是非线性静态分析的推荐工具，我们在下面将详细论述，如用户不想用这个对话框(GUI：Main Menu>Solution>-Analysis Type-Sol"n Control)，可以应用标准的ANSYS求解命令集或相应的菜单(GUI：Main Menu> Solution>Unabridged Menu>option)。
求解控制对话框的概况，见《ANSYS Basic Analysis Guide》§3.11。
注意--对于非线性结构完全瞬态分析，建议应用求解控制对话框，但并不是必须如此，见§2.3。
2.2.2.1 求解控制对话框—进入选择(GUI：Main Menu>Solution>-Analysis Type-Sol"n Control)进入求解控制对话框。
下面几节将论述这个求解对话框中的内容。
对于其详细说明，可以在相应标签下，按HELP 按钮进入帮助系统。
2.2.2.2 求解控制对话框--Basic标签求解控制对话框共有五个标签，其中最基本的选项位于第一个标签上，其他标签依此提供更高级的控制。
进入对话框后，缺省的标签就是Basic标签。
Basic标签中的内容，提供了ANSYS分析所需要的最少设置。
如果用户对Basic标签中的设置满意，就不必调整其他标签中的更高级的设置。
在按OK按钮以后，设置才作用于ANSYS数据库，并关闭对话框。
可用的Basic标签选项见表2-1 。
按HELP可得更多的说明。
表2-1选项参见《ANSYS Basic Analysis Guide》指定分析类型[ ANTYPE , NLGEOM ]§1.2.6.1§3.16控制时间设置，包括:荷载步末的时间[ TIME ], 自动时间步[ AUTOTS ],一个荷载步中的子步数[ NSUBST 或DELTIM ]§2.4 §2.7.1指定写入数据库中的结果数据[ OUTRES ] §2.7.4在非线性静态分析中的一些特殊考虑如下：1、在设置ANTYPE 和NLGEOM 时，如果是执行新的分析，选择"Large Displacement Static"，但要记住并不是所有的非线性分析都产生大变形，见§3。
如果想重启动一个已失败的非线性分析，选择"Restart Gurrent Analysis"。
在第1载荷步以后(即在首次运行SOLVE 命令后)，用户不能改变这个设置。
通常用户要作一个新的分析，而不是重启动分析。
重启动分析的讨论见《ANSYS Basic Analysis Guide》。
2、在进行时间设置时，记住这些选项可在任何载荷步改变。
参见《ANSYS Basic Analysis Guide》§2。
高级的时间/频率选项，参见§2.2.2.8。
非线性分析要求在一个时间步上有多个子步，以使ANSYS能够逐渐地施加荷载，并取得精确解。
NSUBST 和DELTIM 命令产生相同的效果(建立载荷步的开始、最小和最大时间步)，但互为倒数。
NSUBST 定义一个载荷步上的子步数，而DECTIM 显式地定义时间步大小。
如果自动时间步[ AUTOTS ]关闭，则起始子步大小用于整个载荷步。
3、OUTRES 控制结果文件(Jobname.RST)中的数据。
缺省时，在非线性分析中把最后一个子步的结果写入此文件。
结果文件只能写入1000个结果集(子步)，但用户可以用/ CONFIG ，NRES 命令来增大这一限值，参见《ANSYS Basic Analysis Guide》。
2.2.2.3 求解控制对话框--Transient标签这个标签的内容是瞬态分析控制，只有在Basic标签中选择了瞬态分析时这个标签才能应用，否则呈灰色。
所以在这里不论述，参见§2.3。
2.2.2.4 求解控制对话框--Sol"n Options标签这个标签设置的选项见表2-2 。
按本标签的HELP可得到更多的说明。
表2-2选项参见§2.2.2.7.1指定方程求解器[ EQSLV ]《ANSYS Basic Analysis Guide》§3.2-§3.10 对多重启动指定参数[ RESCONTROL ] 《ANSYS Basic Analysis Guide》§3.16.22.2.2.5 求解控制对话框--Nonlinear标签用Nonlinear标签设置的选项见表2-3 。
按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。
表2-3选项参见§2.2.2.8.5激活线性搜索[ LNSRCH ]§2.4激活自由度求解预测[ PRED ] §2.2.2.8.4指定一个荷载步中的最大子步数[ NEQIT ] §2.2.2.8.3§4.4指定是否需要包括蠕变计算[ RATE ]§2.2.3.2.1设置收敛准则[ CNVTOL ] §2.2.2.8.2控制二分[ CUTCONTROL ] §2.2.2.8.62.2.2.6 求解控制对话框--Advanced NL标签用Advanced NL 标签设置的选项见表2-4 。
按HELP按钮进入帮助系统可得到更多的说明。
表2-4选项参见指定分析终止准则[ NCNV ] §2.2.2.8.3激活和终止弧长法的控制[ ARCLEN , ARCTRM ]§2.4《ANSYS Basic Analysis Guide》§22.2.2.7 求解控制对话框--设置其他高级分析选项2.2.2.7.1 方程求解器ANSYS的自动求解控制在大多数情况下，激活稀疏矩阵直接求解器( EQSLV ，SPARSE)。
这是缺省的求解器，除了在子结构分析的生成步骤外(这时用波前直接求解器)。
其他选项包括波前直接求解器和PCG求解器。
对于实体单元(如SOLID92或SOLID45)，使用PCG求解器可能更快，尤其是在三维模型中。
如果用户采用PCG求解器，可以考虑用MSAVE 命令降低内存应用。
MSAVE 命令对于线性材料特性的SOLID92单元，触发单元方法。
为了应用这一命令，必须是小应变( NLGEOM ,OFF)静力或完全瞬态分析。
模型中不符合上述条件的其他部分，应用总体集成刚度矩阵来求解。
对于符合上述条件的模型部分，用MSAVE ,ON 可能可节省70%的内存，但求解时间可能增加，这与计算机的配置和CPU速度有关。
与ANSYS中的迭代求解器不同，稀疏矩阵求解器是一个强大的求解器。
虽然PCG求解器能够求解不定矩阵方程，但在它碰到一个病态矩阵时，如果不能收敛，求解器将迭代至指定的迭代次数后停止迭代。
在发生这种问题时，它触发二分。
在完成二分后，如果矩阵是良态的，求解器继续求解。
最后整个非线性荷载步可以得到求解。
在结构非线性分析中，选择稀疏矩阵求解器，还是选择PCG求解器，可参照下面的建议：1、如果是梁、壳或者梁、壳、实体结构，选择稀疏矩阵求解器；2、如果是三维结构，而且自由度数相对较大(200000个自由度或以上)，选择PCG求解器；3、如果问题是病态(由不良单元形状引起)，或在模型的不同区域材料特性相差巨大，或者位移边界条件不足，选择稀疏矩阵求解器。
2.2.2.8 求解控制对话框--设置其他高级荷载步选项2.2.2.8.1 自动时间步ANSYS的自动求解控制打开自动时间步长[ AUTOTS ，ON]。
这一选项允许程序确定子步间载荷增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步(子步)长。
在一个时间步的求解完成后，下一个时间步长的大小基于四种因素预计：在最近过去的时间步中使用的平衡迭代的数目(更多次的迭代成为时间步长减小的原因)；对非线性单元状态改变预测(当状态改变临近时减小时间步长)；塑性应变增加的大小；蠕变增加的大小。
