建筑工程评职范文ANSYS生死单元应用总结

　　摘要：随着超高层建筑、大跨度结构、地下工程等大量的涌现，结构设计分析领域需要考虑的因素越来越多，也越来越复杂。比如超高层建筑与大跨度结构的施工过程模拟分析，钢结构焊接与退火的模拟，隧道挖掘的模拟分析等等，在这些分析过程中需要在结构中加入或移除某些构件，这时或许希望能使模型中的某些单元“不存在”或“存在”，而ANSYS的生死单元技术正好满足了此要求，因此在这些分析领域有非常大的应用，本文对ANSYS生死单元技术做了个系统性的总结。

　　关键词：ANSYS,生死单元

　　1 引言

　　随着超高层建筑、大跨度结构、地下工程等大量的涌现，结构设计分析领域需要考虑的因素越来越多，也越来越复杂。比如超高层建筑与大跨度结构的施工过程模拟分析，钢结构焊接与退火的模拟，隧道挖掘的模拟分析等等，在这些分析过程中需要在结构中加入或移除某些构件，这时或许希望能使模型中的某些单元“不存在”或“存在”，而ANSYS的生死单元技术正好满足了此要求，在这种情况下，可以在模型加载过程中的某一指定时间 (载荷步)中利用单元的生与死选项来杀死或重新激活选定的单元，因此在这些分析领域有非常大的应用，本文对ANSYS生死单元技术做了个系统性的总结，主要从技术的原理，应用步骤，注意事项及相关例子四个方面展开。

　　2 正文

　　(1)ANSYS单元生死的原理：

　　在ANSYS中，单元的生死功能被称为单元非线性，是指一些单元在状态改变时表现出的刚度突变行为，其被定义为一种状态变化的非线性。在ANSYS中，单元的生死功能是通过修改单元刚度的方式实现的，单元被“杀死”时，它不是从刚度矩阵删除了，而是它的刚度降为一个低值，杀死的单元的刚度乘以一个极小的减缩系数(缺省为 1e-6)，为了防止矩阵奇异，该刚度不设置为0;第二与杀死的单元有关的单元载荷矢量(如压力、温度)是零输出，对于杀死的单元，质量、阻尼和应力刚度矩阵设置，单元一被杀死，单元应力和应变就被重置为0;第三因为杀死的单元没有被删除，所以刚度矩阵尺寸总是保持着。

　　与之相似，当单元“活”的时候，也是通过修改刚度系数的方式实现的。所有的单元，包括开始被杀死的，在求解前必须存在，这是因为在分析过程中刚度矩阵的尺寸不能改变，所以，被激活的单元在建模时就必须建立，否则无法实现杀死与激活。当单元被重新激活时，它的刚度、质量与荷载等参数被返回到真实状态，但它们没有任何应变历史记录，它们通过生和死操作被“退火”，生的时候所有应力和所有应变等于零;当大变形效应打开时(NLGEOM，ON)，为了与当前的节点位置相适应，单元被激活后，其形状会被改变(拉长或压短)。当不使用大变形效应时，单元将在原始位置被激活。

　　(2)单元生死技术应用步骤：

　　第一，建模，对整个工程结构进行建模，模型中需要包括你分析过程中涉及到的所有单元，这其中有包括将要杀死或激活的单元，比如在施工过程模拟分析中用到的支撑胎架构件，在施工过程模拟中就需要建立，因为在施工的过程中其就需要被拆除也就是软件中相关的单元的杀死。为了不影响后续工作的效率，在此过程中一个重要点就是对将要进行杀死或激活的单元进行分组定义，相关命令为cm，以方便后期分析的时候能够更快的选择，然后把其杀死或者激活。当然并非所有单元都支持生与死的操作，只能杀死或激活那些具有生死能力的单元，关于这方面大家需要参考ANSYS高级分析技术手册，那里列出了所有支持生死操作的单元类型。

　　第二，定义第一个荷载步。在第一个荷载步中，必须选择分析类型和适当的分析选项。通常情况下，应该打开大应变效应，而且当要使用单元死活行为时，必须在第一个荷载步中明确设置Newton-Raphson选项。若不存在其它非线性，应明确指定完全 Newton-Raphson 选项并且为 “Newton-Raphson option” 指定 “Full N-R” (NROPT，FULL)，此法每进行一次平衡迭代就修改一次刚度矩阵。因为在后面的载荷步中程序不能预测 EKILL 命令的存在，所以若不存在其它非线性，则务必在第一个载荷步明确设置 Newton-Raphson 选项。

　　第三，荷载步。在接下来的荷载步中，可以按照设计好的流程，将单元杀死或激活。

　　第四，查看结果。与常规计算类似。

　　(3)使用生死单元的注意事项：

　　1)建模方面的注意事项：

　　1.约束方程不能施加在死的自由度上;

　　2.程序默认的单元刚度系数不一定适用，可根据实际问题进行调整，相关步骤为Solution > Load Step Opts > Other > Birth & Death > Stiffness Multiplier >;

　　3.注意约束方程(CE or CEINTF) 不能用于杀死的自由度;

　　4.当杀死单元被重新激活时，若想保持单元的形状，则约束杀死单元的节点可能是重要的，重新激活单元时，务必删除这些人为的约束;

　　5.不与任何单元连接的节点会“漂移”，有些情况下，可能想约束杀死的自由度，以减少要求解的方程数目或避免病态(前已述及缩减系数 ESTIF 在刚度矩阵中产生较小量，可能引起病态);

　　6.当有单元死活行为时，LSWRITE不能使用;

　　7.若需保持杀死单元的应变历史，可在求解器中通过改变材料属性来杀死单元。Solution > Load Step Opts > Other > Change Mat Props然而该选项不删除单元力、应变、质量、比热等，求解中草率使用材料属性的改变会导致收敛问题，例如，若一个单元刚度降为0，但保留它的质量，则加速度载荷会导致奇异。

　　2)荷载方面的注意事项：

　　1.对于杀死的单元，单元载荷矢量(压力、温度)自动置零，质量被置零所以加速度载荷也不影响杀死的单元;

　　2.集中节点力不能自动从杀死单元的自由度中删除，用户必须手动删除杀死节点的集中载荷。类似地，当单元重新激活时，这些节点载荷必须重新施加;

　　3.对于重新激活单元，所有单元和惯性载荷(压力、温度和加速度)被恢复 ，节点力，如上所述，不受单元死活的影响。

　　3)求解选项的注意事项：

　　1.LSWRITE和 LSSOLVE 命令不能用于死活选项，需要使用一系列明确的 SOLVE 命令来进行多载荷步求解;

　　2.自适应下降可以用于单元死活，打开自适应Newton-Raphson选项通常提供较好的结果

　　4)获得收敛的注意事项:

　　1.非线性分析中，在杀死或重新激活单元时注意不要产生奇异点 (例如结构分析中尖锐的内曲角) 或大的刚度突变，这种情形很可能引起收敛困难;

　　2.杀死和重新激活单元引起系统刚度的突变(阶跃改变)，因此，若这些改变太剧烈，则可能发生收敛困难。若出现收敛困难，则需要限制给定载荷步的杀死或激活的单元数。

　　3.可以通过计算结果来判断单元是否应该被杀死和激活，比如轴力、应变等;

　　(4)相关例子

　　一个两端固结梁的三阶段施工过程的结构分析，第1阶段左右端悬臂，第2阶段浇注中间段，第3阶段完成，跨中受集中力F=50Kn，长度L=30m，b=0.4。材料特性：弹性模量E=3.07EkPa，泊松比=0.17，密度DENS=2.5t/m3。

　　相关命令流如下：

　　/PREP7 $R,1 $MP,EX,1,3.0E7$MP,PRXY,1,0.17$MP,DENS,1.2.5$SECTYPE,1,BEAM,RECT,0

　　$SECDATA,0.4,0.4$N,1,N,31,30$N,40,0,1$FILL,1,31,EN,1,1,2,40$*REPEAT,30,1,1,1,0$FINISH$SAVE

　　/SOLU $ANTYPE,0,OUTRES,BASIC,ALL $NLGEOM,ON $NROPT,FULL,,ON $ACEL,,10 $TIME,1 $KBC,1

　　NSUBST,20,0,0 $D,1,ALL,,,31,30 $EKILL,11 $*REPEAT,10,1 $D,12,ALL,,,20 $SOLVE $TIME,2 $NSUBST,20,0,0

　　EALIVE,11 $REPEAT,10,1 $DDELE,12,ALL,20 $SOLVE $TIME,3 $NSUBST,20,0,0 $F,16,FY,-50 $SOLVE $FINISH

　　3 结语

　　本文通过从原理，操作步骤，操作过程中的注意事项，以及附带的一个小例子对ANSYS生死单元技术做了一个系统性的总结，相信能够为大家做相关方面的技术分析提供有力的支持。

　　参考文献：

　　[1] 博嘉科技. 有限元分析软件-ANSYS融会与贯通[M].北京：中国中国水利水电出版社

　　[2] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社