ANSYS大应变分析中建模注意事项

单元的形状

应该认识到在大应变分析的任何迭代中低劣的单元形状（也就是，大的纵横比，过度的顶角以及具有负面积的已扭曲单元）将是有害的。因此，你必须和注意单元的原始形状一样注意的单元已扭曲的形状。（除了探测出具有负面积的单元外，ANSYS程序对于求解中遇到的低劣单元形状不发出任何警告，必须进行人工检查）如果已扭曲的网格是不能接受的，可以人工改变开始网格（在容限内）以产生合理的最终结果（参看图1）。

图1 在大应变分析中避免低劣单元形状的发展具有小应变的大偏移

小应变大转动

某些单元支持大的转动，但不支持大的形状改变。一种称作大挠度的大应变特性的受限形式对这类单元是适用的。在一个大挠度分析中，单元的转动可以任意地大，但是应变假定是小的。大挠度效应（没有大的形状改变）在ANSYS/Linear Plus程序中是可用的。（在ANSYS/Mechanical,以及ANSYS/Structural产品中，对于支持大应变特性的单元，大挠度效应不能独立于大应变效应被激活。）在所有梁单元和大多数壳单元中，以及许多非线性单元中这个特性是可用的。通过打开NLGEOM，ON （GUI路径Main Menu>Solution>Anolysis Options）来激活 那些支持这一特性的单元中的大位移效应。

应力刚化

结构的面外刚度可能严重地受那个结构中面内应力的状态的影响。面内应力和横向刚度之间的联系，通称为应力刚化，在薄的，高应力的结构中，如缆索或薄膜中是最明显的。一个鼓面，当它绷紧时会产生垂向刚度，这是应力强化结构的一个普通的例子。尽管应力刚化理论假定单元的转动和应变是小的，在某些结构的系统中（如在图2（a)中），刚化应力仅可以通过进行大挠度分析得到。在其它的系统中（如图2(b)中），刚化应力可采用小挠度或线性理论得到。

图2应力硬化梁

要在第二类系统中使用应力硬化，必须在第一个载荷步中发出SSTIF，ON（GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)。ANSYS程序通过生成和使用一个称作“应力刚化矩阵”的辅助刚度矩阵来考虑应力刚化效应。尽管应力刚度矩阵是使用线性理论得到的，但由于应力（应力刚度矩阵）在每次迭代之间是变化的这个事实因而它是非线性的。

大应变和大挠度处理包括进初始应力效应作为它们的理论的一个子集，对于许多实体和壳单元，当大变型效应被激活时〔NLGEOM，ON〕（GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)自动包括进初始硬化效应。

在大变形分析中〔NLGEOM，ON〕包含应力刚化效应〔SSTIF，ON〕将把应力刚度矩阵加到主刚度矩阵上以在具有大应变或 大挠度性能的大多数单元中产生一个“近似的”协调切向刚度矩阵。例外情况包括BEAM4和SHELL63，以及不把“应力刚化”列为特殊特点的任何单元。对于BEAM4和SHELL63，你可以通过设置KEYOPT（2）=1和NLGEOM，ON在初始求解前激活应力刚化。当大变形效应为ON（开）时这个KEYOPT设置激活 一个协调切向刚度矩阵选项。当协调切向刚度矩阵被激活时（也就是，当KEYOPT（2）=1且NLGEOM，ON时）SSTIF对BEAM4和SHELL63将不起作用。

在大变型分析中何时应当使用应力刚化

?对于大多数实体单元，应力刚化的效应是与问题相关的；在大变型分析中的应用可能提高也可能降低收敛性。在大多数情况下，首先应该尝试一个应力刚化效应OFF（关闭）的分析。如果你正在模拟一个受到弯曲或拉伸载荷的薄的结构，当用应力硬化OFF（关）时遇到收敛困难，则尝试打开应力硬化。

?应力刚化不建议用于包含“不连续单元”（由于状态改变，刚度上经历突然的不连续变化的非线性单元，如各种接触单元，SOLID65，等等）的结构。对于这样的问题，当应力刚化为ON（开）时，结构刚度上的不连续线性很容易导致求解“胀破”。

?对于桁、梁和壳单元，在大挠度分析中通常应使用应力刚化。实际上，在应用这些单元进行非线性屈曲和后屈曲分析时，只有当打开应力刚化时才得到精确的解。（对于BEAM4和SHELL63，你通过设置单元KEYOPT（2）=1激活大挠度分析中〔NLGEOM，ON〕的应力刚化。）然而，当你应用杆、梁或者壳单元来模拟刚性连杆，耦合端或者结构刚度的大变化时，你不应使用应力刚化。

注意：无论何时使用应力刚化，务必定义一系列实际的单元实常数。使用不是“成比例”（也就是，人为的放大或缩小）的实常数将影响对单元内部应力的计算，且将相应地降低那个单元的应力刚化效应。结果将是降低解的精度。

旋转软化

旋转软化为动态质量效应调整（软化）旋转物体的刚度矩阵。在小位移分析中这种调整近似于由于大的环形运动而导致几何形状改变的效应。通常它和预应力[PSTRES]（GUI路径Main Menu>Solution>Analysis Options)一起使用，这种预应力由旋转物体中的离心力所产生。它不应和其它变形非线性，大挠度和大应变一起使用。旋转软化用OMEGA命令中的KPSIN来激活（GUI路径Main Menu>Preprocessor>Loads>-Loads-Apply>-Structural-Other>Angular Velocity)。