在仿真分析中,经常会遇到结构非线性问题。产生非线性行为的原因有很多,主要归结为材料非线性、几何非线性、接触非线性三类。
运用ANSYS Workbench平台进行非线性分析时,有时收敛是相对困难的,是一个反复试错过程,需要进行不断的、大量的调参。作者经过大量工程实践,总结出以下常用有效解决方法:
(2) 开启大变形开关Large Deflection;
(3) 开启自动时间步Auto Time Stepping,并增加步数、减小步长;
(4) 开启线性搜索Line Serach,迭代过程中,给予迭代位移增量乘以一个小于1的系数;
(5) 开启弧长法(Arc-Length Method),插入命令流ARCLEN, Key, MAXARC, MINARC;
(6) 施加位移比施加载荷容易收敛,将载荷分为多个载荷步Number of Steps施加;
(7) 切换求解器类型Solver Type:
Direct:使用的是稀疏矩阵法SPARSE。性能很强大的算法,默认使用。特别适用于非确定矩阵的非线性分析,可在静态、谐响应、瞬态、子结构和随机分析中应用。梁单元、壳单元、以梁壳为主的实体结构、当结构出现病态矩阵时、不确定用什么时,用Direct。
Iterative:使用的是预条件共轭梯度法PCG。可在静态、模态、瞬态分析中应用。对实体单元结构是最优算法。
(8) 放松非线性收敛准侧,尽量用力收敛控制Force Convergence、而不用位移收敛控制Displacement Convergence,与不收敛关系并不大,而且放松后可能会得到错误的解;
(9) 刚度相差悬殊的相邻结构,降低刚度较大构件的刚度,如加细加密网格、采用高阶单元(梁—>壳,壳—>梁);
(10) 连接关系刚度太大,如刚接、铰接;
(11) 材料设置不正确;
(12) 打开重启动Restart Controls,重启点一般需要往前移3~5个子步;
(13) 对非线性材料零件插入U-P杂交单元,以解除非线性材料体积自锁,插入命令:Keyopt,matid,6,1。如果还是不能收敛,在求解栏插入命令:Solc,,,,vtol(vtol为体积容差值,0≤vtol≤1,默认为0.00001,推荐0.00001≤vtol≤0.01);
(14) 对于橡胶压缩、金属挤压/冲压成型等严重改变零件形状的非线性大变形分析,需要采用自适应网格技术(Nonlinear AdaptiveRegion);
(15) 接触设置时,利用增广拉格朗日算法(Augmented Lagrange),减小法向刚度(经验值0.1~1),允许有穿透。
(16) 更新的版本或许针对求解器,针对接触有更新、更好的设置。例如随着版本不断更新,ANSYS陆续增加了自适应网格技术、接触刚度指数迭代技术、半隐式算法等等来帮助客户应对更复杂的收敛问题。