Ansys Workbench之Mechanical应用(中)——分析求解设置

对于结构静力学中的简单线性问题，不需要对其进行设置，但是对于复杂的分析需要设置一些控制选项。分析设置是在Mechanical分析树的Static Structural下的Anslysis Settings细节设置中。

本文主要对载荷步控制、求解器控制、重启控制、非线性控制、输出控制、分析数据管理进行介绍。

1 载荷步控制

载荷步控制用于指定求解步数和时间。在非线性分析时，用于控制时间步长。载荷步控制也用于创建多载荷步，如螺栓预紧载荷。

1.1 载荷步与子步

载荷步、子步和平衡迭代是控制加载求解过程的三个载荷时间历程节点。

1.1.1 载荷步

在线性静力学分析或稳态分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。

在瞬态分析中，可以将多个载荷步加载到同一加载历程曲线的不同时间点。

注意：载荷可以分步，约束不能分步。

实例1，固定矩形条一端，在另一端分3步加载载荷，第一步只加载100N的力，第二步只加载10000Nm的逆时针扭矩，第三步推力与扭矩共同作用，求每一步的变形。

Step1，设置零件材料，接触关系，网格划分，过程略。

Step2，分析设置，将载荷步设置为3，其余默认。

Step3，设置边界条件，如下图。

载荷默认都是渐增(斜坡)加载的，用一个载荷步将载荷从0增加到设定值。

选中分析树中的Force，在信息窗口中出现了Tabular Data表格和Graph图表，代表了Force的加载历程，在第一步中，力从0渐变到100，并在第二三步中保持。

对于静力学分析，渐增加载与恒定加载计算无区别，本例将力与扭矩都改为恒定加载，在表格第一行将数字改为设定值。

要想Force在第二步不起作用，只需要点击图表的第二步区域或表格对应行，右击选择Activate/Deactive at this step!（在此步激活/取消），此载荷便在第二步中消失。

同样设置Moment载荷，使它在第一步中不起作用。

Step3，添加结果，点击分析树的Solution(A6)，在工具栏出现Solution工具条，点击Deformation-Total（合位移），在分析树中便出现了Total Deformation项目，默认是最后结果，但是现在我们需要查看第一步结果。

在Total Deformation的细节设置中，By改为Result Set（结果位置），Set Number改为1，即表示第一步的结果。当然，也可以设置为Time（时间），然后在下一行Display Time改为1s。同样设置第二三步的结果。

Step4，计算，结果如下

实例2，螺栓预紧问题：螺栓预紧时，我们可以分两步加载预紧力，第一步坡度加载预紧力，第二步锁定。

在分析设置中将载荷步设置为2。

选择Loads下的Bolt Pretension（螺栓预紧力），点击Graph图表的第一步，螺钉预紧力中Define By设置为Load，输入预紧力大小。再点击Graph图表的第二步，Define By设置为Lock锁定。

1.1.2 子步

子步Substep是一个载荷步中插入若干的点。通常一个子步求解需要若干次迭代，每次迭代都被称为一次平衡迭代。子步对于求解过程的控制非常重要，很多时候需要使用不同的子步数来满足不同的加载和求解需要。子步的主要作用如下：

1，在非线性静态和稳态分析中，使用子步逐渐施加载荷以提高求解精度，甚至可以使求解结果从不收敛变为收敛。在以后的文章将讲到子步在非线性屈曲中的应用。

2，在线性或非线性瞬态分析中，使用子步满足时间步长的需要，得到较为精确的解，即满足瞬态时间累计法则。在以后的文章将讲到子步在瞬态分析中的应用。

3，在谐波响应分析中，使用子步获得响应频率范围内多个频率处的解。在以后的文章将讲到子步在瞬态分析中的应用。

以下以矩形条一端固定一端加载力为例说明子步的设置方法

在分析设置中，将自动时间步Auto Time Stepping设置为On，Define By设置为Substep。然后需要设置三个参数

初始子步Initial substeps ：用于计算初始加载量（即确定初始子步位置）。 最小子步Minimum Substeps，最大子步 Maximum Substeps用于计算子步之间的增量。三者关系数值关系必须满足：最小子步≤初始子步≤最大子步。大多数情况下，为了方便控制与计算，设置：最小子步=初始子步=最大子步。

比如给矩形条加载100N的力，载荷步为1，初始子步8，最小子步4，最大子步10。

则力的初始加载值为 100N/8=25N，子步的数量为4~10（由程序选择），子步之间的增量范围为100N/10~100N/4，即10N~25N。其中最小子步不得大于最大子步，初始子步必须在最小子步和最大子步的数值之间）

计算后可以在图表中看到共生成了5个子步。

1.2 时间

载荷步和子步中经常会见到时间相关的选项，但是此处的1s不一定表示1s时间。无论载荷类型是否依赖于时间，Workbench都使用时间作为跟踪参数，这样，计算的结果将是与时间相关的函数。

1，在静态线性分析中，时间取值为常数0，即计算与时间无关，所以在案例1中，我们可以将渐增加载改为恒定加载，而不影响计算结果。

2，在瞬态分析中，时间作为表示真实时间历程的变量在变化。

3，在其他分析中，时间仅作为一个计算器，识别求解时所采用的不同载荷步。

4，时间也可以作为识别载荷步与载荷子步的跟踪器，载荷步是作用在指定的时间间隔内的一系列载荷，载荷子步是载荷步中的时间节点，平衡迭代求取的是子步时间节点上的中间解。

2 求解器控制

2.1 求解器类型

求解器类型有直接求解器Direct和迭代求解器Iterative。我们一般使用程序控制就可以。

直接求解器可以处理任何情况，主要用于薄面和细长体的模型。

迭代求解器在处理体积大的模型时很有效。

2.2 弱弹簧

弱弹簧Weak Springs：在某些时候，希望模型在平衡状态下计算，而不是约束所有方向，此时就会用到弱弹簧。比如如下一个几何体，在左右方向受到方向相反大小相等的力，理论上几何体处于平衡状态，不会发生刚体平移，但是在有限元软件中，经过网格离散化后，几何体可能处于微小的不平衡中，而弱弹簧就是用来平衡这种微小不平衡力。

但是，用户约束所有可能的刚体平移方向才是最好的习惯，比如上图模型，可以采用1/2或1/4的模型，施加对称约束。

2.3 大变形

大变形Large Deflection用于几何非线性计算中，关于非线性的概念将在非线性分析一文中详解。大变形关闭时，计算器使用模型的初始刚度矩阵；大变形打开后，计算器将在每次迭代后重新生成刚度矩阵。

当变形超过5%或转角超过10°时，必须打开大变形开关。

2.4 惯性释放

通常在做静力学分析时，需要保证结构无刚体平移，否则求解器不能计算。但是在飞机飞行，轮船航行时要计算机构，需要采用惯性释放在结构上施加一个虚拟的约束反力，来保证合力平衡。惯性释放允许对完全无约束的结构进行静力分析。

3 其他控制

3.1 重启控制

重启控制设置静力分析和瞬态分析中的多个重启点，来获得从某时刻重新启动分析所需的数据库。

3.2 非线性控制

非线性控制可以修改收敛准则和其他一些求解控制选项，增加了稳定控制和稳定能量结果。

3.3 输出控制

输出控制允许在结果后处理中得到需要的时间点结果，尤其在非线性分析中，中间载荷的结果也很重要。

3.3 分析数据管理

分析数据管理用于管理分析数据的储存结果文件，以用于其他的分析系统。

写在最后，除了在需要时设置载荷步与子步外，其余选项使用默认设置已经足以解决我们工作中的绝大部分需求。本文对不常用的设置只做了简单介绍，在以后的详细实例中还会根据具体需求讲解。