ANSYS生死单元解析

第十章单元死活BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-21.单元死活的定义2.单元死活的应用范畴3.单元死活在ANSYS中的实现4.单元死活的使用过程5.使用ANSYS结果控制单元生与死6.排错本章目标在本章结束时将能够描述和论证以下内容：SessionObjectiveBasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-3单元生与死的定义•如果在加载过程中需要在结构中加入或移除材料，这时或许希望能使模型中的某些单元“不存在”或“存在”。•在这种情况下，可以在模型加载过程中的某一指定时间(载荷步)中利用单元的生与死选项来杀死或重新激活选定的单元。•单元的生与死被定义为一种状态变化的非线性(类似于接触问题)。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-4单元生与死的应用范畴•可能的应用包括:–挖掘(如隧道或泥墙挖掘)–层级建筑(如无支撑桥梁架设)–连续装配(如分层计算机芯片的制作，环氧处理等)–焊接–退火–可以根据它们的已知位置来确定有效单元和无效单元的其它应用BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-5单元生与死的实现•单元在一个载荷步中的第一个子步既被杀死或被激活，然后在整个载荷步中保持该状态。•杀死的单元实际上并没有被移走，它们只是变得无效而已。–被杀死单元的刚度被乘以一个很小的缩减因子。–在载荷矢量中,和死亡单元相联系的单元载荷(如压力与温度)为零。–类似地，死亡单元的质量、阻尼和应力刚化效果被设置为零。–当单元被杀死时，单元的应变亦被设置为零(可以利用这一特征来模拟退火)。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-6单元生与死的实现•出生单元也不是被真正加入模型中，它们只不过重新被激活了而已。–所有单元，包括在分析的后一阶段产生的单元，都必须在前处理阶段就被生成。–单元被重新激活时，它们的刚度、质量、阻尼及单元载荷都恢复原值。–被激活的单元无应变历史记录(它们被生与死操作““退火”了,被激活时它们的应力与应变均为零)。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-7单元生与死的使用过程•和其它分析时一样，单元生与死的使用也包括三个主要步骤：–建模–加载并求解–查看结果BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-8建模•当在前处理器(PREP7)中建模时，应在分析开始就创建所有单元－甚至一些到载荷结束也不会被激活的单元。•并非所有单元都支持生与死的操作，只能杀死或激活那些具有生死能力的单元。请参考ANSYS高级分析技术手册，那里列出了所有支持生死操作的单元类型。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-9求解•单元的生与死载荷步选项可以在既定的载荷步杀死或激活单元。•推荐使用的分析选项：–打开几何非线性(NLGEOM,ON)，激活大变形效果。–单元生与死不能使用缺省的Newton-Raphson选项，使用完全Newton-Raphson选项。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-10求解在一个载荷步内杀死和激活单元可用以下菜单路径进行:SolutionLoadStepOptsOtherBirth&Death注意:在以后的载荷步中“增加”的单元，在第一个载荷步中就应被杀死。单元生与死选项BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-11求解如果默认的刚度缩减因子1.0E-6不适于你的分析，也可以自己设定其值（通常更小）:SolutionLoadStepOptsOtherBirth&DeathStiffnessMultiplierBasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-12求解•不与任何单元连接的节点会发生“漂移”。在某些情况下，可能想约束不被激活的自由度，以减少要求解的方程数目或避免出现病态条件。•单元被激活时，如果想维持其一定的形状，那么约束不被激活的自由度是很重要的。但在重新激活单元时一定要删除这些人为约束。•注意，约束方程(CE或CEINTF)不能用于不被激活的自由度。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-13求解•对于死亡单元载荷矢量中的单元载荷是自动置零的，而对激活单元则自动恢复，质量矩阵中的质量也被置为零（加速度载荷对死亡单元无影响）。•集中力不能从不被激活的自由度上自动删除(比如那些不与任何活的单元连接的节点)。务必删除死节点上的集中载荷。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-14求解关于LSWRITE和LSSOLVE的注释LSWRITE命令不能同单元生和死选项一起使用，需要采用一系列显式SOLVE命令进行多载荷步求解。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-15求解的命令流实例NLGEOM,ON!打开大变形效果NROPT,FULL!必须明确设定牛顿-拉普森选项ESTIF,…!设定非缺省缩减因子(可选)ESEL,…!选择在本载荷步中将杀死的单元EKILL,…!杀死选择的单元ESEL,S,LIVE!选择所有活单元NSLE,S!选择所有活节点NSEL,INVE!选择所有非活节点D,ALL,ALL,0!约束所有非活的节点自由度(可选)NSEL,ALL!选择所有节点ESEL,ALL!选择所有单元D,…!施加合适的约束F,…!施加合适的活动节点自由度载荷SAVE!存储数据库SOLVE!求解BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-16关于求解器中改变材料属性的注释•如果需要保持死亡单元的应变记录，可以通过在求解器中改变材料属性来杀死单元：SolutionLoadStepOptsOtherChangeMatProps•然而，这一操作不能删除单元集中力、应变、质量、比热等。如果在求解器中改变材料属性不当，则会导致收敛问题。例如如果一个单元的刚度被缩减为零，而保留其质量，那么在加速度载荷的问题中将产生奇异性。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-17查看结果•对于大多数部件来说，用户在对包含生和死的单元进行后处理操作时应按照标准的过程来做。•应注意“死”单元仍在模型中，并包括在单元显示及输出列表中等等。可以使用选择操作来从单元显示及其它后处理操作中移走死单元。•如果要对不同的载荷步作后处理，一定要先确信数据库中存有和该载荷步生死状态相匹配的所有单元的生死状态(对于改变生死状态的每一载荷步应作一数据库副本)。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-18使用ANSYS结果控制单元生与死•一些问题中必须依据计算结果激活或杀死单元。例如要在一个热分析中杀死熔融单元，就必须根据计算出的温度确定这些单元。•通过把结果存储到单元列表中并从中选择关键单元，从而来确定这些单元。然后杀死关键单元并重新进行求解，详情请参见ANSYS高级技术分析手册。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-19使用ANSYS结果控制单元生与死基于结果杀死单元的命令流输入实例…!以前求解过程/POST1!进入POST1SET,…!读入结果ETABLE,…!将标准存入ETABLEESEL,S,…!根据ETABLE项选择单元FINISH!/SOLU!重新进入SOLUTIONANTYPE,,REST!重新求解EKILL,ALL!杀死选择的单元ESEL,ALL!恢复全部单元设置...!继续求解BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-20排错•杀死或激活单元会导致模型刚度的突变，甚至还会导致收敛困难。所以应该限制在某一载荷步中生死单元的数目。•由于迭代过程中大的刚度缩减会导致不连续发生，应使用Newton-Raphson过程，使用线性搜索方法作为收敛工具也会有所帮助。BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-21问题解答注意不要因杀死或重新激活单元而在模型中产生奇异性，如尖锐凹形拐角。这可能导致收敛困难。杀死单元时应避免锯齿状边(凹形拐角)BasicStructuralNonlinearities5.7TrainingManualJanuary30,2001Inventory#00145110-22问题解答•对每个改变生死状态的载荷步，存储包括单元生死信息的数据库，在对单独的载荷步进行后处理时，采用合适的数据库。•后处理时确信只选择活的单元，如在等值线显示中包括“被杀死”的单元，将在显示衍生节点值(应力和应变)时污染结果。