结构非线性的来源

1)大变形

2)接触非线性

3)材料非线性：材料具有非线性的应力和应变关系

进行非线性问题求解时

1)打开大变形开关

2)使用非线性环境划分网格

3)选择合适模型的求解单位

4)结果设置位1倍Scale

5)非线性求解时，先采用线性接触试算

接触分类

线性接触：绑定和不分离

非线性接触：粗糙，无摩擦、摩擦

绑定(bonded):接触面之间无相对运动

不分离(NoSeparation):连接面之间不会发生分离，可以有小的摩擦滑动，不允许有法向分离，但允许有少量的切向滑移。

无摩擦(Frictionless):与一般接触相比，不存在摩擦力，既有法向分离同时也有切向滑移。

粗糙(Rough):摩擦力无穷大，允许有法向分离，不允许有切向滑移。

摩擦(Frictional):允许分离，允许有摩擦的滑动。

表1接触类型对比

注意：

1)摩擦接触中，摩擦系数0.2时计算结果会提示，不用处理

2)非线性接触不适用于模态分析、谐响应分析的线性分析，定义的非线性接触将被忽略。

接触行为

程序默认对称接触(Symmetric)，此时任何一边都可穿透到另一边。对称接触行为更容易建立，需要较大的计算量。

选择非对称接触(Asymmetric)时，接触面的节点不能穿透目标面。接触面和目标面的指定可在内部互换。

只有罚函数和增强拉格朗日算法支持对称行为，普通拉格朗日和MPC（多点约束）算法要求使用非对称行为。

对称面的选择

对于非对称接触行为，手工选择接触表面时应遵循以下原则

1)当凸面与平面或凹面接触时，应选择平面或凹面为目标面。

2)当硬表面和软表面接触时，应选择硬表面为目标面。

3)当大表面和小表面接触时，应选择大表面为目标面。

4)如果结构已划分网格，应选择较粗糙一方的表面为目标面。

5)刚度相同的大小面接触时，应选大面为目标面。

接触算法

为了阻止接触面表面相互穿透，在相互接触处需要建立一定的规则，既接触算法。ANSYS采用的是接触约束算法，它提供了五种接触约束算法。

罚函数(PurePenalty)：适用于各类型的非线性接触，通过把接触假设成两个节点之间通过弹簧连接。

拉格朗日法(Normallagrange):该方法可得到0或近似0的穿透量，是一种精确的接触算法，但是需要使用直接求解器来求解，在接触状态发生急剧变化时，容易发生计算震颤从而较难收敛。

增强拉格朗日法(AugmentedLagrange):计算接触压力时，引入了附加项λ，既F=Kx+λ,使得接触压力对于接触刚度的敏感性降低，更利于在给定的接触刚度较大的时候收敛，可以在一定程度上提高计算精度，但同时也会造成收敛时间加长。

在大变形问题的无摩擦或摩擦问题中，建议将程序控制（罚函数）算法修改为增强拉格朗日，因为增强拉格朗日的公式增加了额外的控制自动减少渗透的功能。

多点约束方程法(MPC):适用于绑定接触、不分离这两种线性约束。他在接触面间添加一个联结使两个面之间不出现分离。多点约束法支持大变形效应。

梁约束法(Beam):在两个接触面之间添加无质量的梁进行联结，这种算法只适用于绑定接触。

表2接触算法对比

探测方法

罚函数和增强拉格朗日：默认使用OnGausspoint（积分点）进行探测。

拉格朗日与MPC公式：默认使用Nodal-NormaltoTarget（节点-目标面法向）方法。

摩擦的接触面和目标面之间存在偏移时，为了更好满足力矩平衡可选用“Nodal-projectionNormalformcontact(节点-投影法向接触)”。

穿透容差：允许穿透量，代表F=KX中的X，一般使用程序控制，程序控制默认为0.1*单元厚度。

切向滑移容差：又称弹性滑移容差，一般使用程序控制，程序控制默认为0.1*单元长度，用户可以设置为数值或因子，因子既相较于下层单元的长度比例。如果弹性滑移在许可的容差范围内，接触协调性在切向满足要求。绑定、粗糙、摩擦接触等增强了切向的协调性。

法向刚度既K值，刚度越大，计算越精确，但是越难收敛。默认程序控制，对于绑定和不分离约束，默认K=10；对于其他形式的接触，默认K=1.0;手动体积为主的问题，建议设置为1，对于弯曲为主的问题，建立设置为0.01~0.1之间。

几何修正

几何修正包含：接触面处理，接触面几何修正，目标面几何修正。其中当接触类型为非线性接触（无摩擦、摩擦、粗糙）时才会出现接触界面处理选项。

接触界面处理

当接触类型为线性接触（绑定，不分离）时，程序将忽略干涉与间隙，不需要修正。

当接触类型为非线性接触（无摩擦、摩擦、粗糙）时，需要修正间隙或干涉。有时候CAD模型不一定会有间隙，但是在有限元划分网格离散化后，会出现间隙。

可以通过设置无增量的偏移（Addoffset,NoRamping）;线性增量偏移（Addoffset,RaampedEffects）;自动接触（Adjusttotouch）

绑定和接触行为通过建立一个足够大Pinball半径允许忽略接触和目标面间任何间隙和干涉。但是对于摩擦或无摩擦接触，初始缝隙无法被自动忽略，这是因为它有可能代表几何信息（相互接触或脱离接触）。

1)AdjustedtoTouch

该设置，界面上存在的间隙将会自动补偿到接触状态，界面上存在的干涉将被自动消除。

2）Addoffset

能够自定义来指定允许接触面偏移的正负距离。正值代表关闭缝隙。负值增大缝隙。

Addoffset,Rampedeffects:一个载荷步分割为几个子步逐步施加，难于收敛的干涉问题使用。

Addoffset,NoRamping:一个子步一次完成载荷施加。

接触面几何修正

用户可以在该选项中选择圆面光滑（Smoothing）和螺栓截面（BoltThread）

1.螺栓截面（BoltThread）

BoltThread能够利用简化圆柱模拟螺栓连接，一般设置过程包括

（1）创建接触关系

（2）接触几何修正：定义Orientation方向，上图采用RevoluteAxis建立坐标系需要设置起始点StartingPoint和终止点EndingPoint。

（3）建立起始点和终止点坐标系

（4）定义螺栓螺纹基本参数，如平均螺纹直径MeanpitchDiameter,螺距PitchDiameter，牙型角ThreadAngle，单、多线螺纹ThreadType以及左右手定则Handedness等。

模型干涉的前处理

右击项目的Geometry，选择使用Spaceclaim编辑，在SC中点击准备-干涉，干涉部位以红色显示，点击干涉部位或左上角的√，干涉部位被移出。默认是从较大的几何体中删除干涉部分，如果想反转可以勾选左侧修复选项下的“从较小主体中去除”。

模型间隙的前处理

在SC中，点击准备-间隙，在左侧查找选项中设置要查找的间隙距离，回车后模型的间隙以红色高亮显示。螺栓预紧力

4.8级螺栓含义：螺栓材质公称抗拉强度达Mpa级；螺栓材质的屈强比值为0.8；螺栓材质的公称屈服强度为×0.8=Mpa

螺栓扭矩与预紧力关系：T=KDF

T:螺栓安装的扭矩

D：螺栓的公称直径

F;螺栓预紧力

K；拧紧力矩系数，一般区取0.2

首先对螺栓进行模型处理，使用Slice命令把螺栓切成三个部分（螺帽、螺母、中间螺杆部分），螺纹和螺母之间建立绑定接触，对螺纹的强度进行校核。

螺纹施加预紧力；以螺母建立局部坐标系，Z轴在螺栓轴向方向。

刚体接触

划分网格时，只需要将目标面网格划分即可。

仿真结果判断

模型尺寸、材料、载荷等参数是否使用统一的单位制

结构力学仿真中常使用MPA单位制，既国际单位制中的mm-s-Mpa-ton-N作为基本单位，模型尺寸以mm为单位，材料密度为ton/mm3，集中力单位为N，压强单位为Mpa;对应的计算结果应力单位为Mpa,位移单位为mm，力单位为N,能量单位为mJ。

材料本构是否准确

线性小变形分析中，金属、橡胶、塑料等工程上常用的材料都可以使用线弹性材料本构进行模拟，比如粘胶只起传力作用，并不

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