ANSYS中子步和载荷步的含义与设置方法

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了有限元计算中非线性问题的分析设置，包括载荷步和子步的设置。载荷步主要用于模拟结构的加载顺序或工艺顺序，子步是将载荷一个载荷步分解若干在求解点，从而可以提高求解的收敛性。子步设置包括Initial Substeps、Minimum Substeps和Maximum Substeps三个参数，它们之间的关系和含义可以通过一个例子进行说明。总之，子步是为了提高收敛性而设置的参数，一般情况，子步数量越大，则越有利于收敛。

对于有限元计算，对于非线性问题，一般默认的分析设置不能满足要求需要用户进行修改。如图1给出了分析设置面板，该面板中根据分析需要，用户需要修改载荷步和子步。

图1 分析设置面板

图1中Number of Steps表示为载荷步，该选项主要用于模拟结构的加载顺序或工艺顺序，比如一个螺栓连接结构，首先进行预紧，然后再承受其他外载荷，对于这个问题必须使用两个载荷步，第一个载荷步施加螺栓预紧力，第二个载荷步锁定螺栓预紧力，然后正常施加外载荷。

图2 载荷步，子步图

如图2所示给出了载荷步和子步图，由图可知子步是将载荷一个载荷步分解若干在求解点，从而可以提高求解的收敛性。例如对于加载10000N，一次加载，可能计算不收敛，如果把10000N划分若干个子步，例如设置为10个子步，则程序按照1000N进行增加求解，从而可以提高结构的收敛性。

如图1所示，用户将Auto End Steps设置On，即激活了自动时间步，Define By用于定义时间步类型，用户可以设为Substeps（子步）或Time（时间增量），这个参数的关系互为倒数，例如总载荷为10000N，静力学环境求解时间为1s，子步设置为10，则等效时间增量设置为0.1，程序按照1000N进行递增求解。

下面以子步设置进行讲解，Initial Substeps，该选项为初始载荷步，即首次求解的载荷比例；Minimum Substeps，该选项为最小载荷步；Maximum Substeps该选项为最大载荷步。下面通过一个例子进行说明以上三个参数的关系和含义，例如总载荷为10000N，初始子步为10，最小子步为5，最大子步为50，则程序求解时，首先在10000/10=1000N求解，该子步求解完成后，第二个子步，程序根据内部评估，增量范围是10000/5=2000到10000/50=200，之间变化，则第二个子步位置的载荷为1000+（2000~200）之间。

总之，子步是为了提高收敛性而设置的参数，一般情况，子步数量越大，则越有利于收敛。

作者：张老师，仿真秀科普作者，拥有 15 年的结构，传热，流体，多物理场耦合和疲劳软件工程应用经验。擅长的软件 ANSYS 经典环境，ANSYS Workbench ，Fluent，nCode 和 LS-DYNA，以第一作者身份，出版有限元著作 5 部,承担多项科研课题，有丰富的有限元培训经验，累计培训学员多达 5000 余人，深受好评。

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