11ANSYS130Workbench结构非线性培训单元技术

B-1附录BWorkbench中的单元技术Workbench–结构非线性WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-2TrainingManual•这个附录针对想更好的了解非线性模拟中的单元技术的用户•在许多可用的单元技术中，选择最有效的单元公式选项去求解问题是非常有效而且具有挑战性.•幸运的是：WorkbenchMechanical会依据现有模型的分析难度，自动激活最佳选项综述WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-3TrainingManual•然而，非线性分析仍然有很多选项需要我们去选择。如，由于非线性模型计算所花费的时间和资源巨大，那么根据实际情况有时去掉单元中节点会比较合适。…综述–降低单元阶数的优势:•计算时间效率•计算的稳定性–降低单元阶数的劣势:•在弯曲为主的问题中，用传统的位移算法容易发生剪切锁定.–为解决这个挑战，SIMULATION会自动采用低阶单元的加强单元技术来避免问题。WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-4TrainingManual•依据单元阶数（是否保留中节点）和材料属性，SolutionOutput记录被激活的单元技术。2D平面应力弹性材料或金属塑性，低阶单元弹性材料或金属塑性，高阶单元2D平面应变弹性材料或金属塑性，低阶单元DefaultURISimplifiedEnhancedStrainEnhancedStrain...综述WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-5TrainingManual•同样，不可压缩材料用传统方法会造成体积锁定，为解决这个问题，Simulation自动启动了一个叫MixedU-P的特殊的单元算法。•Solutionoutput记录当Mixedu-P启动时•Solutionoutput也记录了它对收敛的影响…综述WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-6TrainingManual…综述•总的建议是计算时，采用自动算法设置•然而，理解它们的含义是非常重要的:–什么会触发单元公式的改变？–对收敛项和结果有什么影响?带着这些问题,下面内容主要介绍:A.传统位移公式B.剪切和体积锁定C.选择性缩减积分(B-bar)D.一致缩减积分(URI)E.增强应变(ES)F.简化的增强应变(SES)G.Mixedu-P公式H.总结WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-7TrainingManual•对任何单元而言,自由度解Du是在节点上求出的•应力和应变的计算是在积分点上。它们从自由度解DOF中导出。•–例如，我们可以由位移通过下式确定应变：–B叫位移应变矩阵–当我们执行后处理结果时，积分点上应力/应变值外推或拷贝到节点上•右图所示为2x2积分的四节点四边形单元，红色为积分点A.传统位移公式s,euuBεDDWorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-8TrainingManual•传统位移单元的积分点和单元的阶数相同遵循高斯积分法，这被称为完全积分。•换句话说,完全积分意味着数值积分方法对未发生几何扭曲单元的应变能的所有分量是精确的。1注释Ansys使用14点积分模式，也认为是完全积分ElementTypeFullIntegrationOrder4NodeQuad2x28NodeQuad3x38NodeHex2x2x220NodeHex3x3x31…传统位移公式WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-9TrainingManual•完全积分、低阶传统位移单元易于发生剪切和体积锁定，因此很少使用。•完全积分、高阶传统位移单元也易于发生体积锁定。...传统位移公式WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-10TrainingManualB.剪切和体积锁定•传统基于位移的单元有两个问题:剪切锁定和体积锁定:–剪切锁定导致弯曲行为过分刚化(寄生剪切应力)。当细的构件承受弯曲时，这是一种几何特性。–体积锁定导致过度刚化响应。这是材料当泊松比接近或等于0.5时的一种材料特性。WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-11TrainingManual低阶单元，传统全积分位移公式在弯曲中产生了剪切锁定•在弯曲问题中完全积分的低阶单元呈现“过度刚化”。这个公式包含了实际并不存在的剪切应变，称为寄生剪切。–下图是ANSYS画出的剪切应变的单元。两根梁在几何，材料属性和边界及载荷都一样。高阶单元产生正确的结果...剪切锁定WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-12TrainingManual•记住,对一个纯弯的梁而言，剪切应变是零。MMMMxy正确的响应:微体积纯弯曲变形中，平截面保持平面，上下两边变成圆弧xy=0.剪切锁定:完全积分的低阶单元变形中，上下两边保持直线，不再保持直角，xy不为零...剪切锁定WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-13TrainingManual...体积锁定•材料行为几乎或完全不可压缩时(泊松比接近或等于0.5)，在完全积分的单元中发生体积锁定。–超弹材料或塑性流动可发生不可压缩(以后讨论)。–单元中产生的伪压应力导致单元对不会引起任何体积变化的变形“过度刚化”。–体积锁定也会引起收敛问题。•各种应力状态都会发生体积锁定，包括平面应变、轴对称及3-D应力。–对平面应力问题不会发生体积锁定，因为平面外的应变用于满足体积不可压缩条件。WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-14TrainingManual•可以将应力分解为体积分量（-P）和偏应力分量（S）:sIσp...体积锁定应力状态(Where:s1s2s3)静水应力(p)仅仅引起体积变化偏应力分量仅仅引起角度扭转ps2s3s1ps2-pps1-ps3-p=+WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-15TrainingManual•静水压力（p）由体积模量（K）和体积应变（evol）的乘积来确定：zyxzyxvolzyxvolEEKKpssseeeessse2121331...体积锁定WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-16TrainingManual•如果泊松比趋近或等于0.5，从上页的公式可以得出:–体积模量K将会非常大或无穷大–体积应变evol将会趋近或等于0–这就是所谓的几乎或完全不可压缩材料行为•几乎或完全不可压缩材料存在数值处理上的困难，且会出现过度刚化现象。–这在体积变形问题中显而易见–从计算的观点出发，几乎或不可压缩材料问题一般要区别对待...体积锁定WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-17TrainingManual...体积锁定举例用传统单元静水压力结果云图如下所示(ANSYSResultsPlot(NL,HPRES)).WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-18TrainingManual薄壁柱体使用传统位移单元产生体积锁定案例%18Errorindisplacementcalculation当不可压缩发生时，体积锁定会导致位移上产生不可接受的错误。...体积锁定举例WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-19TrainingManual18x单元技术包含5部分：B-Bar,URI,ES,SES,和Mixedu-P.它们可用来解决潜在的剪切锁定和体积锁定问题。–高阶18x单元（PLANE183,SOLID186-187）默认使用URI，其中SOLID186也可使用全积分方法–低阶18x单元（PLANE182,SOLID185）默认使用ES方法，除非设置是超弹性材料–B-Bar,ES,andSES不能用于求解高阶单元–Mixedu-P技术独立于其它技术，所以它可以和B-Bar,ES,SES,或者URI联合使用ElementTechnologyLower-OrderElementsHigher-OrderElementsShearLocking(Bending)Nearly-Incompressible(Plasticity,Hyperelasticity)Fully-Incompressible(Hyperelasticity)B-BarY-NYNEnhancedStrainY-YYNSimplifiedEnhancedStrainY-YNNURIYYYYNMixedU-PYYNYY...单元控制WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-20TrainingManual…单元控制•单元技术通过一个特殊key选项(KEYOPT)来定义:–KEYOPTS是开关键,用于不同单元选项的关或开。–KEYOPTS有许多应用，控制单元技术仅是其中一种。–例如,PLANE182单元用KEYOPT(1)来定义哪种技术被应用，KEYOPT(6)用于控制混合u-P公式。–可以通过参考单元手册获取更多的18X系列单元的细节和它们相对应的Key选项keyoptions。WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-21TrainingManual•KEYOPT命令语法如下:KEYOPT,ITYPE,KNUM,VALUE–ITYPE是单元类型编号–KNUM是KEYOPT编号–VALUE是KEYOPT值•例如,如果单元类型#1是PLANE182,强化应变公式ES可以通过如下命令启动:KEYOPT,1,1,2•参考ANSYSCommands手册获取更加详细信息。单元类型序号（单元技术）开关选择序号增强应变）开关选择值…单元控制WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-22TrainingManual公式•接下来5节提供了在Simulation中用于18X结构单元的公式细节C.选择缩减积分(B-bar)D.一致缩减积分(URI)E.强化应变(ES)F.简化强化应变应变(SES)G.Mixedu-P公式WorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-23TrainingManualC.B-Bar方法•B-bar方法（也叫做选择性缩减积分，持续膨胀单元，常压逼近）用低一阶的积分方法对体积项积分–回顾一下，应力状态可以分为静水压力(p)和偏应力分量(s)。–在上述方程中,evol是体积应变e是偏应变。K是体积模量而G是剪切模量。eIσessIσGKGKppvolvol22eeWorkbenchMechanical–StructuralNonlinearitiesOverviewB-2