Ansys Mechanical | 材料非线性和几何非线性操作

18天前浏览1668

本文摘要：（由ai生成）

Ansys Mechanical中，分析结构非线性需考虑材料、几何和边界非线性。大变形开关对大变形结构尤为重要，影响刚度矩阵更新。L形结构案例分析显示，线性材料下大变形开关影响小，但非线性材料下，打开大变形开关可提高结果准确性，反映应力降低和变形量增加。因此，变形大或存在非线性因素时，建议打开大变形开关，以获更准确结果，尽管会增加计算时间。

写在前面：

Ansys Mechanical只要定义了材料非线性，分析即可考虑材料非线性影响；
Large Deflection开关可以考虑结构变形对刚度的影响，结果更准确，但计算时间更长；
弹性范围内，变形一般较小，不打开大变形开关对结果影响不大；
所有影响因素都考虑之后，再考虑网格无关性。

一

Ansys Mechanical材料非线性和几何非线性操作

结构非线性问题

我们知道结构非线性问题主要有材料非线性、几何非线性和边界非线性三个方面的原因。

材料非线性指的是材料应力应变本构关系非直线关系，这个问题只需要在仿真分析材料属性中定义即可；
几何非线性主要是结构发生大变形（大挠度、大转动、应力刚化等）时，由于结构刚度矩阵发生变化导致平衡方程中的初始刚度矩阵不能完全代表计算过程中的刚度特征，此时需要在计算过程中更新刚度矩阵以达到更真实准确的结果；
边界非线性实际上主要针对的就是接触非线性，对于有接触的两个部件，接触条件对于它们来说可以看作是支撑条件，是影响其接触法向刚度属性的，因此接触状态的变化也可以认为是通过刚度矩阵的变化影响结果。（接触问题不在此展开）

二

Ansys Mechanical材料非线性和几何非线性操作

案例

材料非线性和几何非线性在Ansys Mechanical中的操作考虑是非常简单的，我们通过以下一个简单的模型进行介绍：一根L形状的结构，一端固定，另外一端施加10000N载荷（足够超过材料的屈服极限）。

材料属性分别考虑纯线弹性材料属性和弹塑性材料属性（非线性），这里我们选取的是Ansys Mechanical自带的结构钢（线性）和结构钢（非线性），这里需要注意，虽然在结构钢（线性）材料中定义了屈服极限和拉伸极限，但这两个数值并不会影响计算结果，只是用于结果后处理中的（stress tool）。

首先对线弹性材料而言，不考虑材料非线性，我们对比下Large Deflection（位于Analysis setting的详细面板中）关闭和打开的区别：

线性材料大变形关——应力结果

线性材料大变形开——应力结果

线性材料大变形关——变形结果

线性材料大变形开——变形结果

可以看到关闭大变形和打开大变形，两者的结果略有差别。这主要是因为线性材料其本身变形并不是很大，打开大变形会促使软件在计算过程中更新刚度矩阵，带来两者的结果差异。但是很明显，结构强度结果明显超过了屈服极限，但线性材料并不会发生屈服，从塑性应变结果可以看到（无塑性应变）。

线性材料大变形关——塑性结果

线性材料大变形开——塑性结果

我们再来查看非线性材料的结果，可以看到应力大大下降（1277MPa到794Mpa），变形大大增加（3mm到160mm）。这种趋势和材料属性完全吻合，结构强度达到材料屈服极限之后，应力应变曲线的斜率大幅度下降，同样的应力值将会产生更大的变形，相当于能量更多转移到塑性应变（永久变形）当中，也可以从塑性应变结果看到，确实产生了永久变形。

非线性材料大变形关——应力结果

非线性材料大变形关——变形结果

非线性材料应力应变曲线

非线性材料大变形关——塑性结果

我们再打开大变形开关看看结果变化，可以看到对于结构有较大变形（线性材料时变形3mm，非线性材料达到了160mm），如果不考虑大变形对刚度的影响，那结果完全无法保证准确率。打开大变形开关后，更真实准确的结果是应力495MPa，变形40mm。

非线性材料大变形开——应力结果

非线性材料大变形开——变形结果

总结

结构变形幅度较小时，是否打开大变形开关，对结果影响不大；变形幅度较大时，打开大变形开关与否，结果差异非常明显。
材料非线性问题虽然重点在材料定义时是否定义了塑性等非线性本构关系，但如果由于材料非线性引起结构大变形，仍需要打开大变形开关，即只要有非线性因素，建议都打开，非线性结果总是更准确的（线性是一种理想假设）。
对于不确定的情况，打开大变形开关总归是更准确的，唯一的缺点是很可能大大增加了计算时间。

来源：艾羽科技