摘要
本文介绍了Ansys Mechanical中的初始状态技术，该技术用于模拟现实世界中非零应力或应变的初始条件。通过梁和预应力材料薄层的示例，展示了如何使用INISTEATE命令设置初始状态，并详细说明了其应用过程。文章还探讨了初始状态的物理解释和坐标系问题，并强调了理解其物理意义的重要性。该技术能模拟更真实的场景，无需求解整个载荷历史，适用于多种工程分析场景。
正文
概述
在本文中，介绍了用于创建非零应力或应变初始条件的初始状态技术，并给出了物理解释。使用INISTEATE命令创建了一个由梁和预应力材料薄层组成的简单示例，以显示详细步骤。
初始状态
"初始状态"表示分析开始时结构的状况。通常假设结构在未变形和无应力状态下开始，尽管这种情况可能并不总是准确地反映现实世界的条件。
初始应力（或应变）状态有几种应用。最流行的是在现有的基材上添加薄层涂层，这些基材由于制造过程而产生应力。这是MEMS（微机电系统）工业中的典型过程。然而，值得注意的是，该技术也可以用于石油和天然气结构，其中重要的是考虑来自焊接过程或初始变形的残余应力，以及许多其他示例。
一种用于开发这种状态的常用技术是使用热条件，即使它们不现实。一个很好的Ozen视频解释了所有的过程可以在这里看到：
考虑初始状态的能力使得能够为分析定义更复杂的起始条件。例如，它允许指定结构内的初始应力或应变状态。在这篇博客中，我们将探索Ansys Mechanical中的这种高级分析。
形成对有限元模型的物理解释：
在详细讨论初始状态之前，让我们先来看看对所建模的物理现象的解释，以及如何将其包含在数值模型中。
让我们考虑一个没有应力或应变的弹性带。然后，力或位移施加到带，增加其长度（同时忽略横向缩短）。在这一点上，我们预计带经历张力应力，因为它变得更大。之后，在释放带时，它将恢复到其原始形状并达到零应力状态。这似乎是一个微不足道的观察。然而，考虑从释放到最终状态的时刻会发生什么。带寻求平衡状态，并且没有约束，其唯一的选择是返回其原始形状，通过外部位移释放所有施加的应力。
此时，我们可以根据有限元建模过程考虑这三个时间步。我们可以将时刻t1指定为"初始状态"，其中存在变形的几何形状和发展的应力。力矩t0并不重要，也不包括在分析中，因为我们缺乏关于应力源的知识，也没有兴趣计算它。最后，在t2时刻，通过求解该物体的平衡条件，计算t1和t2之间的应力解。
可以在t2的模拟中定义任何类型的对象，这是实际的模拟兴趣。现在，让我们考虑同样的弹性膜和一个比膜大的块。当膜被拉伸以匹配块的长度时，将产生纵向应力。最后，在将这两个物体结合在一起之后，我们就有了初始状态，这就是如何创建有限元模型，让前面的阶段落后。
使用初始应力
此方法旨在通过使用INISATE命令应用。使用先前定义的示例来呈现该过程。
几何形状和网格：
记住，初始受力几何必须表示为变形形状，如前所述.一个积木和一个贝壳就足够了。为了避免实体之间的接触元素，SpaceClaim中定义了“共享拓扑”，允许壳和块共享节点。此几何中的默认网格化将生成六面体元素。
边界条件和求解器设置：
在这个例子中，没有定义边界条件，这完全取决于每个模型。为了避免刚体运动和收敛问题，“弱弹簧”特性定义为“开”。“大偏转”也被激活，100个子步骤让我们使用中间结果来跟踪解决方案。
命令行状态：
此功能不能直接在Mechanical界面上使用，这就是为什么我们需要在模型树的两个部分中包含APDL片段。
第一个被 插入到身体上，受到初始应力的影响，在这种情况下，表面。这里只定义了一个变量来提取这个特定物体的材料唯一编号。这将在下一节中使用。
第二个剪切的对象将添加到“静态结构”分支下的分析中。这将使这些添加的命令在求解过程之前执行。
命令行如下：
ESEL使用之前创建的Sh_mat变量选择壳元素。这是一种选择适当元素的通用方法，可以通过几种不同的方式完成。
ESEL使用之前创建的Sh_mat变量选择壳元素。这是一种选择适当元素的通用方法，可以通过几种不同的方式完成。
INISTATE命令执行三次，将应力定义为初始值，然后将全局坐标系指定为所施加应力的方向，最后在元素局部X方向上指定100 MPa的值（取决于求解器单位），这是命令的Cxx参数。为了定义其他方向上的应力，我们将使用Cyy、Czz、Cxy、Cyz和Cxz参数。
最后，ALLSELL命令允许在求解之前选择模型中的所有内容。忘记最后一行可能会在求解阶段产生错误。
警告：坐标系。
如果查看.out文件，将显示一条关于壳坐标系的警告消息。
全局坐标系是使用INISTATE，SET，CNODE，0命令在第二行中建立的。但是，壳元素不支持全局坐标系中的初始状态。因此，该定义被重置为元素坐标，这等效于使用INISATE、SET、CNODE、-2。因此，用户必须确保应力方向的正确定义。在此示例中，壳元素的X方向（以红色表示）垂直于梁的纵向。因此，正确的应力方向应该是Y，并使用Cyy参数定义。
更正后的命令为：
ESEL,S,MAT,,Sh_matINISTATE,SET,DTYP,SINISTATE,SET,CSYS,-2INISTATE,DEFI,,,,,,100ALLSEL,ALL
结果如下：
在求解模型后，很明显，块体在最终平衡状态下产生了一定的弯曲应力。请注意，中性轴不位于截面的质心处。
壳体中的应力从其初始值100 MPa略微降低。
补充意见
INISATE是一个带有多个选项的命令。可以使用此命令指定初始状态坐标系、数据类型（例如应力、应变、塑性应变、蠕变应变等）。也可以在元素、节点、层或高斯积分点上定义数据。此外，它还可用于导出已求解的应力状态和从现有数据文件导入数据。如需进一步了解，您可以参考Ansys帮助文档。
结论
此命令可用于指定初始应力或应变状态，使用户能够通过考虑更真实的场景来增强分析功能，而无需求解整个载荷历史来获得它。
这里最复杂的问题是理解它的物理意义，从而理解它的应用。这里的建议是考虑寻找均衡，因为这是求解器将要做的事情。
