大變形效應的案例
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。
展開 實例展示Workbench中大變形的影響
03 綜上可得：不考慮大變形效應不一定錯，考慮大變形效應一定
ANSYS分析類型與求解器控制選項（1）
在定義分析類型后，就需要設置求解控制選項，這些選項為獲得滿意結果有極大作用。盡管大多數情況下，程序已經設置了通用或比較合理的缺省值，但有些情況下必須進行設置。不同的分析類型其求解控制選項不同。
一、 靜態分析求解控制選項
靜態分析是ANSYS缺省的分析類型，該分析不考慮結構的慣性和阻尼，但靜慣性力（如重力和離心力）和慣性釋放除外。
靜態分析所能施加的荷載包括外荷載、靜慣性力、強迫位移、溫度荷載等。
靜態分析求解選項有 4 大選項，其中每個大選項又包括多條選項。4 大選項為基本選項、求解器選項、非線性選項及高級 NL 選項。由于各個版本的 GUI 方式對話框不盡相同，為方便起見在內容上不與任何版本的對話框一一對應。
1. 分析選項
包含大變形效應（NLGEOM 命令）和預應力效應（PSTRES 命令）。
⑴ 大變形效應
命令：NLGEOM, Key
其中 Key 為大變形效應參數，其值可取：
=OFF 或 0（缺省）：忽略大變形效應，同時指定為小變形效應。
=ON 或 1：計入大變形（大轉動）效應，也可以是大應變效應。
ANSYS 的幾何非線性包括大應變效應、大變形（也可稱為大轉動或大撓度）、應力剛化及旋轉軟化效應。大多數實體單元和部分殼單元支持大應變效應；所有梁單元和大多數殼單元支持大變形（大轉動）效應，支持大應變的單元都支持大變形效應。
ANSYS 計入大變形或大轉動效應時是小應變，且大變形分析時慣性荷載和集中荷載的方向不隨變形改變，但面荷載的方向則隨變形而改變（即隨動荷載）。
NLGEOM 命令如在 /SOLU 層執行，必須在第一個荷載步內指定。
展開 ANSYS幾何非線性概述
d.耦合和約束方程
ANSYS在幾何非線性計算過程中，節點坐標系不會因為考慮大轉動而修正，耦合和約束方程總是作用在原始方向。因此在大位移分析中一般要避免耦合和約束方程，連接轉動和位移自由度的約束方程是基于線性和小撓度理論，因此在使用耦合和約束方程之前應仔細考慮。
2. 求解注意事項
a.何時應選擇大變形？ANSYS如何打開大變形？
大變形效應可以改善求解精度，但相應地，其求解代價也加倍增加。如果在分析問題的過程中，100%確定大變形效應不重要，這時可只選擇小變形分析以使得求解效率最快，但如何對求解的問題有任何疑問，則可以始終采用大變形。ANSYS中采用Nlgeom 命令打開與關閉大變形效應。
b.加載與邊界條件
當考慮結構大變形效應時，載荷在很多情況下方向將保持不變，但是針對于某些特別載荷，當單元經歷大轉動時，載荷方向跟隨單元而改變。ANSYS可以根據所施加的載荷類型來模擬不同情況。注意，在大應變分析中，壓力施加于更新的面，因此由壓力產生的總載將隨免得伸長或縮短而變化。
在大變形分析中，一般應避免單點約和單點力，不然很容易造成應力奇異的現象。
c.求解
求解過程中時間步長應足夠小，使得在任何一個子步內，沒有超過10度轉動的單元。如果在反復二分之后，模型還不能在全載荷處收斂，原因可能是實際物理上的不穩定(屈曲或者全塑性截面)，這時候可以畫出載荷—撓度曲線，看切向剛度是否為0.
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abaqus_超彈性橡膠圓盤的Mullins效應和永久變形
關鍵詞：Mullins效應 永久變形 應變循環
材料損傷 能量耗散 材料校準
1. 問題描述及材料校準
實心圓盤的外徑3in，內徑1.75in，厚度0.7in。使用對稱模型生成功能建立三維模型，單元類型為一階縮減積分四面體單元(C3D8R)，同時使用增強沙漏控制選項。材料屬性包括Mullins效應、永久變形(用金屬塑性材料模型模擬)、超彈性(Yeoh材料模型)。Mullins效應是填充橡膠材料發生變形時產生的應力軟化現象。本例包括以下三方面的分析：
(1)材料屬性的校準
已知的數據包括一組單向試驗數據、一組應力-塑性應變試驗數據、0.099/0.26/0.51應變水平的加載/卸載循環變形試驗數據。輸入這些數據，對單位單元的變形進行分析，將得到的響應曲線與試驗數據進行比較和評估，獲得相應的材料參數。如下圖所示，單位單元經歷0.099/0.26/0.51三個應變水平的變形循環。
展開 【CAE案例】氣冷反應堆堆芯中開裂石墨磚局部變形效應模擬
圖1 英國氣冷反應堆（APR）分布示意圖
石墨作為一種脆性材料在反應堆運營過程中易由變形產生裂紋，且由于石墨磚構成了使燃料降溫和允許控制桿運動的通道，分析石墨磚中裂紋對堆芯的影響是必要的。因此，法國電力集團英國研發中心模擬了石墨磚中裂紋的傳播路徑以及這些裂紋對堆芯局部和整體變形的影響。
利用Salome_Meca平臺，我們建立了三種不同的模型（圖2）。整合code_aster以及由格拉斯哥大學（University of Glasgow）開發的裂紋分析工具MoFEM的石墨磚裂紋發展分析模型，其中
【模型1】一個石墨磚單元；
【模型2】用于研究老化堆芯中的局部變形對相鄰組件影響的模型，其中包含中心產生裂紋的石墨磚單元及其相鄰單元;
【模型3】可用于分析反應堆在地震荷載下響應的完整反應堆模型。這些模型旨在與其他模型對比，提供可能的附加功能并提升準確度和使用性能。本期我們主要關注第二種模型。
圖2 AGR反應堆堆芯中的石墨磚及其模型
（從左到右：使用MoFEM的裂紋發展模型；開裂石墨磚對相鄰組件的影響；地震荷載下反應堆的響應）
02 輻射作用下石墨磚的材料行為
石墨磚在APR反應堆常年運行過程中經快速中子輻照會導致其尺寸的變化（圖3），并與輻射氧化作用一起共同改變材料的微結構與內部應力。隨著時間流逝，石墨磚內部應力不斷增大，強度不斷降低，正是這種現象導致石墨磚中裂紋的產生。EDF的合作伙伴開發了一種特殊的材料行為法則，即最初用于ABAQUS模型的一種用戶自定義材料（UMAT），而得益于code_aster與UMAT的接口，這一材料法則現可直接用于code_aster模型。
釋放內部應力并出現裂紋的石墨磚在輻射作用下發生的持續變形會使相鄰組件產生位移。針對這種現象，將利用下文提到的CBNA模型進行分析。
展開 CEL與Lagrange模型在大變形分析時的適用性CEL與Lagrange模型在大變形分析時的適用性
對同一個模型來講，通常，拉格朗日建模方式計算更加準確，計算效率更高，因為所有的幾何體都采用拉格朗日單元類型，而CEL建模方式的計算更加耗時，且產生的文件更大，一個直接的原因是流體或大變形幾何體是歐拉體模型，采用歐拉單元建模，而歐拉單元的數量要明顯多于相應的拉格朗日模型的單元數量。
但是，如果模型要經歷極大變形，那么這兩種建模方式的優劣就要好好評價一下了。在大變形分析中，拉格朗日模型容易發生網格畸變，網格畸變區的計算結果準確性將會大打折扣，產生不可信的結果甚至計算中斷得不到結果；而CEL模型在犧牲一定的幾何模型精度和結果準確性的前提下，計算會非常穩定，網格不會發生畸變，相較于拉格朗日的網格畸變區反而會得到更加合理的計算結果。所以，在選擇建模分析方式時，尤其是大變形分析，兩種方法孰優孰劣，需要結合一定的經驗和以往案例，選擇折中處理或者兩種都用以綜合衡量。
本篇案例是一個鉚接案例，如下面的示意圖所示。 ? 具體的模型長下面這樣：左邊是中央截面圖，右面是實物圖，上下兩部分是沖模，張揚帶孔圓盤是固定模板，上下兩部分沖模同時施力以使鉚釘達到最終的變形。 ? 這個過程很明顯是一個極限大變形過程，我們可能關心這個過程中的三個問題：
1、 鉚釘在成型過程中的變形是否適當？
2、 成型后，鉚釘是否有足夠的力量保持材料的連接？
3、 成型過程工具的壓力是否足夠？
那么這三個關心的問題我們可以考察分析鉚釘的變形位移、成型后的等效塑性變形和成型過程中的沖模受力等變量，去評估我們關心的問題從而做出一些結論或改進。 本案例不再進行step by step的演示，各位小伙伴可以自行練習。下面來具體看一下分析模型和相關結果。 ?
左邊是拉格朗日建模，右邊是CEL建模。兩種建模方式中，接觸全部采用無摩擦通用接觸。
展開 EDF開源CAE | Code_Aster對氣冷反應堆堆芯中開裂石墨磚局部變形效應的模擬
圖1 英國氣冷反應堆（APR）分布示意圖
石墨作為一種脆性材料在反應堆運營過程中易由變形產生裂紋，且由于石墨磚構成了使燃料降溫和允許控制桿運動的通道，分析石墨磚中裂紋對堆芯的影響是必要的。因此，法國電力集團英國研發中心模擬了石墨磚中裂紋的傳播路徑以及這些裂紋對堆芯局部和整體變形的影響。
利用Salome_Meca平臺，我們建立了三種不同的模型（圖2）。整合code_aster以及由格拉斯哥大學（University of Glasgow）開發的裂紋分析工具MoFEM的石墨磚裂紋發展分析模型，其中
【模型1】一個石墨磚單元；
【模型2】用于研究老化堆芯中的局部變形對相鄰組件影響的模型，其中包含中心產生裂紋的石墨磚單元及其相鄰單元;
【模型3】可用于分析反應堆在地震荷載下響應的完整反應堆模型。這些模型旨在與其他模型對比，提供可能的附加功能并提升準確度和使用性能。本期我們主要關注第二種模型。
展開 基于大變形的魚竿彎曲變形仿真對比 ￥5
對于大撓度的細長結構，更新其剛度非常重要，否則結果可能不準確。這一效應通過本次模擬得以捕捉
觀察魚竿的彎曲情況，并將更新結構剛度前后的結果進行比較
這個例子說明了釣魚竿的彎曲情況，重要的是要考慮到結構的大撓度
釣竿是典型的大撓度示例。回顧一下這個釣竿的模擬，并嘗試解釋為什么避免使用大撓度會對結果產生影響
ANSYS Workbench——大變形和塑性變形
大變形.pdf
金屬塑性.pdf
基于大變形的驅動軸扭轉變形仿真對比 ￥5
本文比較了驅動軸在扭轉下的兩種模擬，并強調了將大撓度納入模擬以考慮實際行為的重要性。
本文比較了兩種驅動軸在扭轉作用下的模擬，一種是大撓度開啟，另一種是無大撓度開啟。仿真強調了大撓度的思想和重要性。
?
ANSYS Workbench——大變形和塑性變形
[forum.simwe.com]金屬塑性.pdf
[forum.simwe.com]大變形.pdf
VirtualLab運用：大孔徑顯微鏡研究偏振效應
光學測量>顯微鏡
亮點
?在顯微鏡系統中，完整的矢量分析光柵
?數秒內快速的高性能分析復雜系統
?簡單地在光線追跡和物理光學模擬之間切換
?研究偏振效應
說明：光源
角向偏振光
徑向偏振光
說明：透鏡系統
說明：樣品結構
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光線追跡
角向偏振光
結果：光線追跡衍射級
角向偏振光
結果：場追跡
角向偏振光
結果：光線追跡
徑向偏振光
結果：光線追跡衍射級
徑向偏振光
結果：場追跡
徑向偏振光
【免費】workbench中橡膠壓縮變形分析-自適應網格+大變形
workbench中橡膠壓縮變形分析
橡膠壓縮是密封圈當中經常遇到的一種現象，但是仿真分析對于橡膠壓縮有很難收斂的現象，本實例通過兩個簡單模擬（公眾號: CAE_ANSYS）
方法說明橡膠壓縮的過程和方法，通過本實例可以了解到以下知識
1.自適應網格的應用方法
2.橡膠材料參數的設置
3.非線性接觸的設置
5.模型建立方法
模型
建立分析模型，如圖所示，本實例以一個簡單模型為例
2.初始網格隨意劃分
3設置自適應網格，采用mesh方法，計算過程自動加密網格，需要注意的是，必須打開大變形，單元必須去除中間節點
4邊界條件采用，向下強制位移的方法
5提取結果（公眾號: CAE_ANSYS）
可以看到網格發生了重新劃分，網格由三角形劃分成了4變形
另一個模型是模擬橡膠壓縮的過程，上下兩個剛性體擠壓中間的橡膠，結果顯示中間橡膠發生大變形
本實例需要注意的是，橡膠材料的設置，不需要設置彈性模量，還有就是接觸的設置，需要選擇相應的線體為接觸面，最好將模型分割，最后獲取相應的結果。
以下模型為兩個模型的計算原始文件，供大家免費參考
（公眾號: CAE_ANSYS）
供大家免費參考，版本為ansys17.2
rubber.zip
展開 《Nature Mater》：大晶格失配異質結構的超低摩擦和邊釘扎效應
結果表明：大晶格失配MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結界面的摩擦系數(COF)小于10?6，扭轉角依賴性得到抑制。與此同時，研究者證明，這兩個異質結的摩擦力是由釘住邊緣或襯底臺階效應主導的，而不是由界面滑動阻力，例如，勢能起皺。相比之下，石墨烯/h-BN滑動摩擦過程中界面滑動阻力占主導地位，晶格失配較小。經典分子動力學(MD)模擬表明，靠近薄片邊緣的原子在滑動動力學中發揮了獨特的作用，因為它們相對于薄片的其余部分呈現出增強的面外結構畸變。鑒于到MD模擬中力場的非反應性，研究者也間接證明了疇邊緣的懸空鍵，主要對基底的攀爬過程中觀察到的摩擦力有貢獻。
圖1 二維異質結構的摩擦特性。
圖2 MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結構界面的超潤滑性。
圖3 三種不同異質結構界面的摩擦源。
圖4 MoS2薄片在石墨上滑動的MD模擬結果。
圖5 界面臺階對摩擦力的影響。
在此，研究者證明了大晶格失配的MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結界面具有極低的摩擦系數，~10?6，沒有任何扭角依賴性。實驗和MD計算均表明，MoS2/石墨和MoS2/h-BN異質結中的釘住邊和界面臺階，是摩擦過程的主導因素，而石墨烯/h-BN中的小晶格失配是界面摩擦的重要原因。該研究結果表明，接觸面的晶格失配和界面臺階的缺失，是設計近無摩擦滑動副的關鍵因素。（文：水生）
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