仿真應用 | Workbench大變形開關對有限元求解的影響

南京安世亞太公司



在基于ANSYS Workbench平臺進行電梯轎廂的剛度分析時,需要明確是否開啟大變形開關。那么大變形選項對結構(尤其是鈑金結構)的影響到底是怎么樣的?什么時候需要考慮幾何非線性?什么時候又可以不考慮?這是剛度校核過程中值得思考的問題。




什么是大變形


在線性分析中,平衡方程的建立是以結構初始幾何關系為依據的。由于大變形(大應變,大撓度,大轉角)會引起結構的幾何關系發生變化,所以對于大變形問題,使用線性分析是不恰當的,往往是錯誤的。workbench中可以設置是否考慮大變形效應。當打開該設置時,軟件通過子步迭代的方法,不斷調整剛度矩陣,進而考慮了結構幾何關系的改變。其實可以這么說,在線性問題中,是否考慮大變形效應(幾何非線性分析)的求解結果是接近的。在幾何非線性問題中,使用線性分析會產生較大誤差,甚至是錯誤的,必須考慮大變形。


實例說明


薄鋼板,壁厚為3mm,約束左右兩邊,中間法向加集中荷載。

仿真應用 | Workbench大變形開關對有限元求解的影響的圖1


  • 加載100N,查看線性分析和大變形分析的應力和位移

仿真應用 | Workbench大變形開關對有限元求解的影響的圖2


  • 加載200N,查看線性分析和大變形分析的應力和位移

仿真應用 | Workbench大變形開關對有限元求解的影響的圖3


  • 加載500N,查看線性分析和大變形分析的應力和位移

仿真應用 | Workbench大變形開關對有限元求解的影響的圖4


結論


  • 當變形為壁厚的20%,線性分析和大變形分析的位移結果是近似的。
  • 當變形為壁厚的50%,線性分析和大變形分析的位移結果相差10%。
  • 當變形為壁厚的100%,線性分析和大變形分析的位移結果相差30%。
  • 大變形分析的位移結果總是小于線性分析。


建議


  • 大變形分析需要迭代,所以計算量大。對于較大的模型,可能會影響求解效率。對于小模型,計算量小,線性分析和非線性分析的求解時間相差不大。

  • 當結構承受的載荷較大,結構變形較大時,是否考慮大變形效應(幾何非線性分析),求解結果是不一樣的。如果很明確所分析問題是線性問題,可以不打開大變形選項。

  • 如果對分析問題的幾何非線性屬性不確定,建議打開幾何非線性設置。

  • 實際工作中,可以對比同一問題的線性分析結果和幾何非線性分析結果,這樣不僅可以得出正確的分析結果,也可以從對比中鑒別出該問題的幾何非線性程度。

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