干货｜ANSYS Workbench非线性不收敛解决办法_Workbench_STEPS_非线性_CONVERGE_UG_UM_材料

干货｜ANSYS Workbench非线性不收敛解决办法

纵横CAE

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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：

(1) 多层细化网格，特别是接触界面，检查并改进单个体的网格质量；

(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。

来源：纵横CAE

干货｜ANSYS Workbench非线性屈曲分析

在实际结构中，非线性行为、载荷扰动、几何缺陷等因素会阻止系统达到理论屈曲强度，常需要进行非线性屈曲分析。Fig. 1 ANSYS Workbench非线性曲屈分析项目流程图非线性屈曲分析是一种非线性静力分析，其在ANSYS Workbench中的实现流程如图1所示，详细分析步骤如下所述。Step 1：进行线性屈曲分析‍‍‍ 通过线性曲屈分析，获取第一阶临界载荷，参见文章： ANSYS Workbench线性屈曲分析。Fig. 2 第一阶曲屈变形云图Step 2：调用屈曲分析结果 ‍‍‍‍流程中插入Mechani calAPDL，右击Analysis，选择Add Input File，导入事先存好的upgeom.txt文件，再次右击Analysis，选择Update。upgeom.txt中的命令流如下： ‍‍‍‍/prep7upgeom, 0.2, 1, 1, file, rstcdwrite, db, file, cdb/solu 注意：upgeom.txt文件为考虑几何缺陷命令流，缺陷为线性屈曲模态变形相对值的倍数(如0.01倍、0.1倍、0.2倍等)，具体数值根据实际加工水平。 Step 3：生成初始几何模型右击Analysis—>TransferData to New—>选择Finite Element Modeler—>右击Model—>选择Update。双击Model进入FiniteElement Modeler界面，右击Geometry Synthesis选择Initial Geometry生成初始模型。 Step 4：实现几何模型共享右击Model—>Transfer Data to New—>选择Static Structural—>拖动Model到Finite Element Modeler的Model上实现几何共享—>右击Finite Element Modeler中的Model—>选择Update。Step 5：设置材料性能参数进入Static Structural中的材料库，选择线性屈曲分析中使用的材料，此时可设置材料塑性参数，输入弹塑性或其它类型的非线性性能。 Step 6：进行非线性屈曲分析双击项目流程图Static Structural中的Model，进入Mechanical界面，进行如下设置：1）单元设置、网格划分、约束条件与线性屈曲分析保持一致；2）载荷略大于第一阶临界载荷，位置、方向与线性屈曲分析保持一致；3）此时也可以另外引入一个其余方向足够小的扰动载荷；4）点击Analysis Settings，进行如下设置：(a) 设置多个载荷步加载载荷，便于非线性收敛。参见前期文章：干货｜ANSYS Workbench非线性不收敛解决办法；(b) 设置足够长的结束时间Step End Number，便于捕捉屈曲临界载荷；(c) 开启自动时间步长Auto Time Stepping，依次设置子步数Substeps。参见前期文章：干货 | ANSYS Workbench瞬态分析时间步设置方法；(d) 开启大变形Large Deflection，开启稳定性Stabilization为Constant；(e) 设置牛顿-拉斐森方法Newton-Raphson Option为Direct。注意：牛顿-拉斐森方法能够得到正确极限载荷，但无法分析后屈曲行为。弧长法是优秀的结构稳定性计算方法，不仅可以获得正确的载荷位移曲线，还可以分析后屈曲行为。但是，弧长法理论复杂，操作麻烦，不能与自动时间步、线性搜索同时开启，求解器类型不能使用Iterative（即PCG方法），并且该方法目前在Workbench中没有操作选项，需要添加少许命令才能实现。右击Analysis Settings，插入命令流： ARCLEN, Key, MAXARC, MINARC其中，Key为ON时开启弧长法，为OFF时关闭弧长法；MAXARC为参考弧长半径的最大乘数，默认25；MINARC为参考弧长半径的最小乘数，默认0.001。线性屈曲与非线性屈曲4) 添加Total Deformational，求解计算得到屈曲载荷位移曲线，曲线上的突变点处即为屈曲临界载荷值。来源：纵横CAE