原创 张老师 仿真秀
导读：ansys Mechanical具有强大的非线性计算能力，能够对几何非线性、材料非线性、接触非线性、混合非线性（塑性和接触等）、非线性屈曲等计算问题进行非常好的模拟仿真，是目前最强大的非线性问题计算软件之一。
一、结构非线性的定义
江边渔者垂钓的鱼竿、承载运动器重量的轮胎、重型机械零件的锻造、薄板零件的冲压与折弯等，都涉及结构非线性问题。
对这些结构绘制载荷与变形的曲线，均不再符合胡克定理 ，而表现出非线性结构的基本特性，结构刚度不再是常量，而成为函数变量。
二、非线性行为类型
1、几何非线性
当结构经受大变形时，变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应。例如鱼竿提线的过程、大型壳体结构非线性屈曲的过程，都属于几何非线性问题。
2、材料非线性
金属塑性、橡胶材料超弹体与粘弹性、混凝土问题、率相关性蠕变等问题都是典型的材料非线性问题。
图1 混合非线性
3、接触非线性
接触是种普遍的非线性行为，是状态变化非线性类型中特殊而重要的子集。当零件彼此之间接触与分离，接触刚度会发生相应的改变。
非线性问题通常不会单一出现，Ansys Mechanical具有同时处理混合非线性问题的能力，如图1所示就是混合非线性的问题，同时考虑金属的塑性与接触的非线性问题。
四、构建非线性模型
适度的非线性行为求解采用的几何设置、网格通常无需修正，与线性行为一致。多数情况需要对若干特性进行修正，包括单元的特性、非线性材料数据（塑性、蠕变、超弹体等）、几何建模（奇异引起不收敛问题）等。如下设置与修改，可能有益于非线性分析问题的收敛。
1、修改【Mesh】→【Shape Checking】选项为“Aggressive Mechanical”或“Nonlinear Mechanical”，如图2所示，这能够提供一种增强的单元质量处理大应变分析中过度扭曲。
2、修改【Geometry】→【Element Control】选项为“Manual”，可以在完全积分与减缩积分策略中进行切换。该选项影响单元中积分点的数量，如图3所示。例如强制修改完全积分应用于高阶单元（默认采用一致减缩积分），这通常有助于厚度上仅有一层单元的结构，以提高计算求解精度。
3、默认情况下，结构单元将默认采用具有中间节点的高阶单元。通过图4中所示进行高阶单元（Kept）与低阶单元（Dropped）的转换。
图2 Shape Checking
图3 Element Control
图4 Element Midside Nodes
五、Workbench轮-轨接触有限元分析
1、问题描述
图5 轮-轨接触模型
如图所示给出了轮-轨接触模型，该模型由圆形钢质轮和钢质平板组成，轮和轨道的材料都为结构钢。完全固定约束轨道底面，在钢质轮子的内孔施加运动副载荷，包括垂直压力1000N和旋转速度，旋转速度在0到1s之间由0RPM加速到100RPM，摩擦系数为0.1。
2、软件的基本设置方法
启动Workbench，双击Workbench工具箱中的用户系统Transient Structural，弹出如图所示的瞬态结构动力学分析系统。
图6 导入模型
单击Connection>Contacts>Frictional-SolidTo Solid，弹出如图所示接触细节设置面板，设置接触类型（Type）为Frictional，摩擦系数为0.1，具体设置如图所示。
图7 接触细节设置面板
右击Connection>Insert>Joint，在弹出的如图所示的运动副设置细节面板，设置连接类型（Connection Type）为体-地面连接（Body-Ground），设置类型（Type）为通用运动副（General），释放X和Y方向的平动自由度，释放绕Z方向的转动自由度，选择作用位置为轮子的内孔表面。
图8 运动副设置细节面板
弹出如图所示的网格划分细节设置面板，设置Relevance Center为中级（Medium），其他保持默认设置，然后右击Mesh，选择Generate Mesh，生成的网格如图所示。
图9 网格划分细节设置面板
单击Analysis Settings，弹出如图所示的结构瞬态动力学分析设置面板，将自动时间步（Auto Time Stepping）设置为On，定义方式（Define By）设置为Substeps，初始子步为（Initial Substeps）100，最小子步（Minimum Substeps）为50，最大子步为2000，将Large Deflection设置为On，表示打开了大变形分析。
图 10 分析设置细节面板
右击Transient，选择Insert>Fixed，在细节窗口弹出如图所示的位移约束细节设置面板，选择轨道的底面，单击Apply。
图11
右击Transient，选择Insert>Joint Load，单击Joint Load，显示如图所示的运动副载荷设置面板，下列选择运动副为General-Ground To Solid，DOF为Y Displacement，Type为Force，然后在右侧弹出的表格中输入载荷为-1000N
图 12运动副载荷设置面板
右击Transient，选择Insert>Joint Load，单击Joint Load，显示如图所示的运动副载荷设置面板，下列选择运动副为General-Ground To Solid，DOF为RotationZ，Type为Rotational Velocity，然后在右侧弹出的表格中输入转速0-0；1-（-100），负号表示转动方向。
图 13 运动副载荷设置面板
选择Transient>Solution，右击Solution，选择Solve。
图 14 182e-3s时刻的等效应力云图
图15 最大等效应力与时间的关系
六、直播-Ansys 结构装配体仿真案例难点解析
以上是笔者关于ANSYS Workbench轮-轨接触有限元分析，希望对大家学习有所帮助。受仿真秀平台的邀请笔者将在《毕业在季，拒绝代写》系列活动第四期公开直播-Ansys 结构装配体仿真案例难点解析，以下是课程安排，感兴趣的朋友识别下方二维码报名：
提前报名福利：
1、讲师在社群为用户提供免费问题解答；
2、直播结束后，可以在仿真秀官网免费回看，并获得课程有关的资料和模型；
3、可以获得仿真秀平台通用优惠券一张；
七、我的精品课推荐
最后，我给大家推荐一门我原创的ansys接触非线性计算专题视频课程-《结构装配体接触非线性计算高级视频教程-获得ANSYS接触非线性计算收敛能力》，标准课程目前已经更新完结，后续还会根据用户的反馈新增内容！
（1）本套高级课程涵盖的知识点：
1.接触非线性概述
1.1 接触计算的工程应用
1.2 接触单元与目标单元
1.3 实常数与关键字
1.4接触计算插入命令
1.5 范例-赫兹接触非线性计算
2.接触非线性计算原理
2.1 接触计算客观性三原则
2.2 建立接触关系的方法（接触对；通用接触）
2.3 对称接触与非对称接触
2.4 接触作用模式
2.5 接触计算算法
2.6 实例-双悬臂梁接触变形计算
3.接触非线性计算控制参数
3.1 接触刚度（法向 切向）
3.2 穿透容差（法向 切向）
3.3颤振控制参数
3.4 球形区域
3.5 接触剪裁
3.6接触计算精度评判参数
3.7 实例
1-圆柱-平面赫兹接触精确解
2-锥形销拉拔接触非线性计算
4.初始接触状态与接触收敛关系
4.1 接触状态检查位置（间隙与穿透）
4.2 接触状态接触工具
4.3 接触状态调整与收敛性
4.5 稳定阻尼
4.6 实例
1-实例-过盈配合结构装配应力、传递扭矩和轴力计算
2-实例-间隙配合结构接触非线性计算
5.接触计算后处理与数据提取
5.1 接触计算结果类型
5.2 ANSYS WB可提取接触
5.3 接触数据提取的高级操作5.4-实例-碟片弹簧压缩接触非线性计算
6.接触高级设置
6.1 刚-柔接触
6.2 壳体接触
6.3 点焊连接
6.4螺栓预紧连接
6.4实例
1-点焊连接结构
2-螺栓预紧连接接触计算
3-薄壳刚-柔接触冲压计算
7.通用接触计算
7.1通用接触简介
7.2 通用接触的定义命令
7.3 通用接触的控制命令7.4 实例-基于通用接触的橡胶块挤压计算
8.粘结结构界面失效计算
8.1内聚力模型
8.2模型的输入参数8.3 实例- T型胶粘接头的界面开裂计算
9.摩擦生热问题
9.1 库伦摩擦模型
9.2 摩擦参数
9.3 摩擦系数模型
9.4 多物理场耦合单元
9.5 热接触导热系数
9.6 基于命令施加热边界9.7 实例：制动器热结构耦合摩擦生热计算
10.产品跌落碰撞冲击接触
10.1 产品垂直跌落理论计算
10.2 碰撞接触时间步控制方法
10.3 接触定义10.4 实例-自由落体冲击接触计算
11.橡胶接触密封计算
11.1 常用橡胶模型
11.2 流体密封判定准则
11.3 流体压力渗透载荷
11.4 实例-O形橡胶密封圈的密封性计算
12.接触磨损计算
12.1磨损模型简介
12.2 Archard 磨损模型
12.3 磨损体积量提取
12.4 实例-微动接触磨损计算
13.接触计算不收敛的解决方法
13.1 计算不收敛的提示信息
13.2 不同提示信息的处理方法
13.3 改善收敛性的参数修改顺序
14.综合实例解析
14.1 结构热膨胀接触计算
14.2 钢-橡胶辊滚动摩擦驱动接触
14.3齿轮接触计算
（2）适合哪些人学习
1、学习型仿真工程师
2、理工科院校学生
3、由设计人员转向分析的工程师
4、想系统学习ansys接触非线性计算的各类工程师
（3）讲师介绍
张老师，仿真秀优秀讲师，有限元培训学员超过5000 具有扎实的力学理论基础和17年的结构，传热，流体，多物理场耦合和疲劳软件工程应用经验。以第一作者身份，出版有限元著作6部，目前累计培训学员超过5000 ，有丰富的有限元工程应用经验.
擅长的软件ANSYS经典环境，ANSYS Workbench ，Fluent，nCode和LS-DYNA；擅长的领域：结构强度与刚度评估，结构振动与冲击，非线性材料计算，复合材料设计，螺栓连接结构分析，过盈配合结构分析，橡胶产品有限元计算，结构的疲劳，损伤和断裂计算；界面增韧机理研究；智能材料断裂计算；优化，多场耦合分析（流-固；热-固；流-热-固）；流体的动力学计算和爆炸冲击计算。
作者：张老师 仿真秀专栏作者
声明：原创文章，本文部分内容引自仿真秀专栏作者付稣昇撰稿的《ANSYS Mechanical非线性接触功能基础概述，了解一下下吗？》，在此致谢。本文首发仿真秀公众号（ID:fangzhenxiu2018）,本文已经被授权，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。
点击阅读原文，体验张老师主讲的《结构装配体接触非线性计算高级视频教程》
