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。

（2）瞬态选项（Transient）

在进行瞬态分析（ANTYPE,TRANS）时，该选项自动激活。

（3）求解选项（Sol’n Options）

多数情况下，ANSYS会自动激活稀疏矩阵直接求解器（EQSLV,SPARSE），不过对于子结构分析，则默认激活波前直接求解器。对于实体单元（如SOLID92和SOLID45），预条件共轭梯度迭代求解器（PCG）可能更快，特别是三维模型。

稀疏矩阵求解器与迭代法不同，是直接解法，功能非常强大。虽然PCG求解器可以求解不定方程，但当遇到病态矩阵时，该求解器会进行迭代直到最大迭代数，如果还没有收敛就会终止求解。而当稀疏矩阵求解器遇到这种情况时，会自动将步长减半，如果此时矩阵的条件数很好，则继续求解，最终可以求出整个非线性荷载步的解。

可以根据以下几条准则来选择稀疏矩阵求解器和PCG求解器进行非线性结构分析：

（I）对于包含梁或者壳的模型（有无实体单元均可），选用稀疏矩阵求解器。

（II）对于三维实体模型并且自由度数较多（如200000或更多），选择PCG求解器。

（III）如果矩阵方程的条件数很差，或者是模型不同区域的材料性质差别很大，或者是没有足够的约束条件，选择稀疏矩阵求解器。

（4）非线性选项（Nonlinear）

非线性选项包括以下几部分：

（A）线性搜索：Line search。默认时，ANSYS程序会自动打开或关闭线性搜索。对于多数接触问题，线性搜索自动打开“LNSRCH,ON”；对于多数非接触问题，线性搜索自动关闭“LNSRCH,OFF”。

（B）DOF求解预测器：DOF solution predictor。如果没有梁或壳单元，默认情况下，预测校正选项是打开的“PRED,ON”。如果当前子步的时间步长缩短很多，预测校正会自动关闭。对于瞬态分析，预测校正也是关上的。

（C）每个子步的最大迭代次数。选择菜单Maximun number of iterations，ANSYS程序默认设置方程最大迭代步数“NEQIT”为15~26，其准则是缩短时间步长以减少迭代步数。

（D）选中“Creep Option”下的复选框用来包括蠕变计算。

高级非线性选项（Advanced NL）

其中包括了求解终止选项、弧长法选项。另外，通过单击选项卡中的打开隐藏的菜单按钮，可以打开求解非线性问题需要的相应的菜单，主要是分析选项和非线性分析相关的系列菜单，后面将对这些菜单对应的各个选项进行详细讲解。

分析选项

在建立有限元分析模型之后，根据分析问题的类型选定相应的分析类型并指定分析选项。对于非线性结构分析，指定分析类型的方法和其它有限元分析相同，这里主要讲解非线性分析的分析选项。

不管是非线性静力分析还是非线性瞬态分析，通过菜单路径：Main Menu | Solution | Analysis Type | Analysis Options都会弹出一个分析选项对话框，其中如下几个选项是非线性问题专用的。

（1）NLGEOM（大变形或大应变选项） 

对于有大变形或大应变的问题，在分析时打开这个选项(NLGEON:ON)，程序在进行分析时将会考虑其对结果的影响，否则，则关闭这个选项。并不是所有的非线性分析都将产生大变形。

（2）SSTIF〔应力刚化效应〕

如果存在应力刚化效应选择ON。当考虑大变形或大应变效应时应力刚化效应缺省为打开(SSTIF：ON)。

（3）NROPT〔牛顿－拉普森选项〕

仅在非线性分析中使用这个选项。这个选项指定在求解期间每隔多久修改一次正切矩阵。你可以指定这些值中的一个。

ANTO：程序基于你模型中存在的非线性种类选择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。

FNLL：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修改刚度矩阵一次。

MODI：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子步中都被修正。在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。这个选项不适用于大变形分析。 

INIT：程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵这一选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛。它不适用于大变形分析。自适应下降是不可用的。

注意：ANSYS通常选择全牛顿-拉普森方法，关掉自适应下降选项。但是，对于考虑摩擦的点-点接触、点-面接触单元，通常需要打开自适应下降选项，例如：单元PIPE20、BEAM23、BEAM24和PEPE60。

结果后处理

来自非线性静态分析的结果主要由位移，应力，应变，以及反作用力组成。可以用POST1通用后处理器，或者用POST26时间历程后处理器来考察这些结果。