ANSYS与ABAQUS稳定性分析报告比较.pdf

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1、实用标准文案 精彩文档 ANSYS 与 ABAQUS 稳定性分析比较（转载 -来自结构工程师崔家春的个人空间） 其实，这些东西很简单，大多数朋友应该都比较了解。但是作为整个稳定性 分析的一部分，觉得还是整理一下吧，也算是对后来者又抛了一块砖。 算例描述： 为了能体现出一般性，我故意找了一个比较大的结构。这是一个单层网壳结构， 最大尺寸在 90m 左右，杆件长度在1.13m-3.63m之间，截面形式为箱型截面； 构件布置见下图。荷载任意挑选一个标准组合(具体是哪个不记得，只是验证软 件单元特征，没有关系 )。 在 ANSYS 软件中分别采用 BEAM44 、BEAM188 和 BEAM189 进

2、行计算。分析 结果见下文。 ANSYS BEAM44 分析结果 E1E2E3E4E5 N16.106.367.117.438.03 N26.086.347.087.407.99 N36.086.347.087.407.98 N46.086.347.087.397.98 备注：表格中 N1、N2 分别代表每根构件采用1、2 个单元； E1、E2代表第 1、 2 阶屈曲荷载因子； ANSYS BEAM188 分析结果 E1E2E3E4E5 N16.817.098.158.619.35 N26.256.527.347.698.34 N36.156.427.197.538.14 N46.126.387

3、.147.478.07 N56.106.367.127.448.04 N66.096.357.107.438.02 N76.096.357.107.428.01 N86.086.347.097.418.00 N96.086.347.097.417.99 N106.086.347.097.407.99 ANSYS BEAM189 分析结果 E1E2E3E4E5 N16.106.367.127.448.05 N26.076.337.087.407.98 N36.076.337.087.397.98 N46.076.337.087.397.97 实用标准文案 精彩文档 由表格可以看出，利用ANSYS

4、 软件进行 Buckling 分析时，不同 BEAM 单元类 型对单元剖分数量的要求。 （1）BEAM44 和 BEAM189 对单元的剖分数量要求较低，每根构件采用1 个 单元和采用 2、3、4 个单元时计算结果相差不大，在工程上这种误差应该 是可以接受的。 （2）BEAM188 单元对单元剖分数量的要求要高一些，从结果来看，每根杆 件采用 5 个 BEAM188 单元计算结果才与采用1 个 BEAM44 或 BEAM189 单元计算结果相同。 （3）在利用 ANSYS 进行 Buckling 分析时，以选用 BEAM44 与 BEAM189 单 元为佳。 （4）选用 BEAM44 单元时，

5、虽然每根杆件采用1 个单元和多个单元计算结果 相差不大，但是本人还是建议每根杆件选用2 至 3 个单元。理论上对于每 根构件而言， 在设计时已经保证了其稳定性， 但是我们也可以在整体稳定 性分析过程中进一步对其进行校核。如果采用 1个单元，就达不到这个效 果。 （5）理论上能选择 189 单元是最好不过啦，不过考虑其是3 节点单元，有时 候从其它软件数据转过来时可能会有点不方便。 （6）考虑到后期进行非线性稳定计算， 由于 BEAM44 单元不能考虑材料非线 性，在前后延续上还是采用BEAM189 比较好，而且 3 节点单元在单元剖 分数量上要求也较低。 下面给出每种单元计算得到的屈曲模态（每

6、行从左到右分别为第1、2、3 阶）： BEAM44 单元计算结果 实用标准文案 精彩文档 BEAM188 单元计算结果 BEAM189 单元计算结果 实用标准文案 精彩文档 从振型图可以看出， 不同单元类型、 不同单元剖分数量条件下计算得到的屈曲模 态是相同的，虽然屈曲荷载因子有所不同。 在 ABAQUS 软件中，常用的梁单元有B31、B32 和 B33。其中 B31 和 B33 是两 节点单元，而 B32 是三节点单元。仍采用上文ANSYS 分析对象为模型，计算结 果见下文。 ABAQUS B31 分析结果 E1E2E3E4E5 N16.226.497.267.588.24 N26.026.

7、287.007.307.49 N35.996.256.957.257.85 N45.976.236.937.237.83 N55.976.236.927.237.82 备注：表格中 N1、N2 分别代表每根构件采用1、2 个单元； E1、E2代表第 1、 2 阶屈曲荷载因子； ABAQUS B32 单元分析结果 E1E2E3E4E5 N15.996.256.967.267.88 N25.966.226.917.217.80 N35.966.226.917.217.80 N45.966.226.917.217.80 ABAQUS B33 单元分析结果 E1E2E3E4E5 N16.046.326

8、.857.157.90 N25.996.256.927.227.85 N35.986.246.937.237.84 N45.986.246.937.247.84 在理论上， ABAQUS 的 B31 相当于 ANSYS 的 BEAM188 ，都是一次积分单元； 而 B32 和 ANSYS 的 BEAM189 相似，都是二次积分梁单元； B33 相当于 ANSYS 的 BEAM44 单元，都是 Euler-Bernoulli 梁。所以从上面表格中可以看出，它们 的计算结果数据特征也较为相似。 （1）B31 对单元剖分的密度要求较高，每根构件采用3 个 B31 单元时，其计 算结果才与采用 1 个

9、 B32 单元时的相同；而且从计算结果的稳定性来看， 选用 B31 单元时，其单元剖分数量应在3 以上； （2） B32 是三节点单元，所以计算精度较高。从分析结果来看，在进行 Buckling 分析时，每根构件采用1 个 B32 已经满足工程精度要求； （3）B33 介于 B31 和 B32 之间，更接近与B32；分两段已经足够精确。 （4）建议在 Buckling 分析中采用 B32 单元。 下面给出 B31 和 B32 单元计算得到的屈曲模态 （每行从左到右分别为第1、2、3 阶）： 实用标准文案 精彩文档 B31 单元计算结果 B32 单元计算结果 实用标准文案 精彩文档 B33 单元

10、计算结果 从振型图可以看出， 不同单元类型、 不同单元剖分数量条件下计算得到的屈曲模 态是相同的，虽然屈曲荷载因子有所不同。 前文ANSYS 与 ABAQUS 稳定性分析比较1-Buckling 分析 ANSYS 单元选取 和ANSYS 与 ABAQUS 稳定性分析比较 2-Buckling 分析 ABAQUS 单元选取 分别利用 ANSYS 和 ABAQUS 对一个单层网壳结构进行Buckling 分析，目的是 比较这两个软件的不同梁单元对单元剖分数量的要求，以及通过计算结果分析每 种单元对 Buckling 分析的适用性。这里我想就两个软件的单元进行一下对比。 前文中建议，当采用 ANSY

11、S 分析时，可以采用 BEAM189 单元， 而采用 ABAQUS 时宜选取 B32 单元。 那么我们就把问题集中在这两种单元上吧。 回头比较一下 BEAM189 和 B32 的计算结果： ANSYS BEAM189 分析结果 E1E2E3E4E5 N16.106.367.127.448.05 N26.076.337.087.407.98 N36.076.337.087.397.98 N46.076.337.087.397.97 ABAQUS B32 单元分析结果 E1E2E3E4E5 N15.996.256.967.267.88 N25.966.226.917.217.80 N35.966.

12、226.917.217.80 N45.966.226.917.217.80 好像比较奇怪，所有B32 的计算结果都比BEAM189 的小。虽然相差不大，但 是哪个结果更准确呢？这估计就要追溯软件的内核了，有空再进行研究。 实用标准文案 精彩文档 其实，现在的软件内核都是有限元，可能每家的求解方法稍有不同，但是其本质 基本上是一样的。就拿Buckling 分析来说吧，选择哪个软件应该都没有问题， 只要采用合适的单元类型，保证足够的单元剖分数量，计算结果应该几乎相同， 其误差在工程上是完全可以接受的。 ANSYS 的三个梁单元和 ABAQUS 中三个梁单元刚好一一对应，以后大家用起 来可以相互作为

13、参考，其对应关系为： BEAM44 B33：Euler-Bernoulli 梁，两节点 BEAM188 B31：Timoshenko 梁，线性积分，两节点 BEAM189 B32：Timoshenko 梁，二次积分，三节点 接着前面的工作，仍采用那个单层网壳结构计算模型作为分析对象，分别利用 ANSYS 和 ABAQUS 进行非线性整体稳定分析。 ANSYS 中选用 BEAM189 单元， 而 ABAQUS 中选用 B32 单元，每根杆件取一个单元。都是采用RIKS 弧长法， 施加的荷载均为前文Buckling 分时中荷载的 7.0 倍。 提取结果时均提取同一个节点的Z 向位移，计算结果见下图

14、： 由上图可以看出，两个软件的数值大小和曲线走势吻合的较好，ANSYS 的结果 比 ABAQUS 稍大，但可以认为在误差数量级以内。总体上讲，这两个计算结果 都不错，基本上反映出结构的屈曲过程，“荷载-位移”曲线比较完整。 其实 ANSYS 的曲线是结算结果的完整曲线，曲线的终点也就是计算发散位置； 而 ABAQUS 那条曲线只是计算结果的一部分，后面还很长一段被我去掉了，因 为觉得没什么意义。 最大荷载系数时结构的变形见下图： 实用标准文案 精彩文档 由上图可以看出，最大荷载系数时两个软件计算得到的变形相同。 下面可以对两个软件做一个小结： （1）利用弧长法都可以进行结构的非线性稳定分析，计

15、算得到的最大荷载因 子、荷载 -位移曲线、最大荷载对应的变形图基本相同； （2）ABAQUS 计算速度更快， 十几分钟即可结束战斗， 而且可以得到整个屈 曲过程的荷载 -位移曲线（甚至觉得曲线太长了）；而ANSYS 需要几个 小时（注 :可能与我的设置有关，请勿被误导）。 （3）ABAQUS 比较容易收敛，而且较容易得到完整的“荷载-位移”曲线； 而 ANSYS 通常很难得到屈曲后的过程，除非反复调整参数，但随之带来 的问题是较长的计算时间。 （4）大型、复杂的结构在ABAQUS 中建模比较困难，即使是利用其它手段 也会导致调整比较麻烦的问题， 而 ANSYS 前处理则可以较好的实现模型 调整

16、的功能，后处理也非常方便。 （5）其实，两个软件算非线性稳定都很OK。主要是看用户自己哪个用的比 较顺手。 失稳破坏是一种突然破坏， 人们没有办法发觉及采取补救措施，所以其导致 的结果往往比较严重。正因为此，在实际工程中不允许结构发生失稳破坏。 导致结构失稳破坏的原因是薄膜应力，也就是轴向力或面内力。 所以在壳体 结构、细长柱等结构体系中具有发生失稳破坏的因素和可能性。这也就是为什么 在网壳结构的设计过程中稳定性分析如此被重视的原因。 下面根据本人多年来的研究及工程计算经验，谈谈个人对整体稳定性分析的 一点看法，也算做一个小结。 1 稳定性分析的层次 在对某个结构进行稳定性分析，实际上应该包括

17、两个层次。（一）是单根构 件的稳定性分析。 比如一根柱子、 网壳结构的一根杆件、 一个格构柱 （桅杆）等。 单根构件的稳定通常可以根据规范提供的公式进行设计。不过对于由多根构件组 成的格构柱等子结构，还是需要做试验及有限元分析。（二）是整个结构的稳定 分析。比如整个网壳结构、 混凝土壳结构等结构整体的稳定性分析。整体稳定性 分析目前只能根据有限元计算来实现。 2 整体稳定性分析的内容 通常，稳定性分析包括两个部分：Buckling 分析和非线性“荷载 -位移”全 过程跟踪分析。 （1）Buckling 分析 Buckling 分析是一种理论解， 是从纯理论的角度衡量一个理想结构的稳定承 载力及

18、对应的失稳模态。目前几乎所有的有限元软件都可以实现这个功能。 Buckling 分析不需要复杂的计算过程， 所以比较省时省力， 可以在理论上对结构 的稳定承载力进行初期的预测。但是由于Buckling 分析得到的是非保守结果， 偏于不安全，所以一般不能直接应用于实际工程。 但是 Buckling 又是整体稳定性分析中不可缺少的一步，因为一方面 Buckling 可以初步预测结构的稳定承载力，为后期非线性稳定分析施加的荷载提供依据； 另一方面 Buckling 分析可以得到结构的屈曲模态，为后期非线性稳定分析提供 结构初始几何缺陷分布。 实用标准文案 精彩文档 另外本人认为通过Buckling

19、分析还可以进一步校核单根构件截面设计的合 理性。通过 Buckling 分析得到的屈曲模态，我们可以看出结构可能发生的失稳 破坏是整体屈曲还是局部屈曲。 如果是局部屈曲， 那么为什么会发生局部屈曲？ 局部屈曲的荷载因子是否可以接受？是否是由于局部杆件截面设计不合理所导 致？这些问题希望能引起大家的注意。 （2）非线性稳定分析 前文已经讲过， Buckling 分析是一种理论解。 但是由于加工误差、 安装误差、 温度应力、焊接应力等因素的存在，现实中的结构多少都会存在一些初始缺陷， 其稳定承载力与理论解肯定存在一定的差别。另外，由于Buckling 分析是线性 的，所以它不可以考虑构件的材料非线

20、性，所以如果在发生屈曲之前部分构件进 入塑性状态，那么Buckling 也是无法模拟的。所以必须利用非线性有限元理论 对结构进行考虑初始几何缺陷、材料弹塑性等实际因素的稳定性分析。 目前应用较多的是利用弧长法对结构进行“荷载-位移”全过程跟踪技术， 来达到计算结构整体稳定承载力的目的。 由于弧长法属于一种非线性求解方法，而且在非线性稳定分析中通常需要考 虑几何非线性、 材料非线性及弹塑性， 所以通常需要求助于通用有限元软件。比 如 ANSYS、ABAQUS 、NASTRAN 、ADINA 等。而设计软件，比如PKPM、 SAP2000、MIDAS 等通常不具备这种功能，或者具备功能而比较难得到

21、满意的 结果。 在这些通用有限元软件中， 可以较好的计算结构的屈曲前、屈曲后性能。 通 常通过“荷载 -位移”曲线来判断计算结果的合理性及结构的极限稳定承载力。 通过有限元软件不但可以较好的对结构进行非线性稳定分析，同时还可以考虑初 始几何缺陷、 材料非线性、 材料弹塑性等问题。 基本上可以实现对结构的真实模 拟分析。 3 整体稳定性分析的关键问题 结构的整体稳定性分析是很长时间以来一直备受关注的课题，而且在今后很 长一段时间内仍将是热门研究对象。 这是因为结构整体稳定承载力的影响因素很 多，比如初始几何缺陷、焊接应力、材料非线性、荷载形式等。所以很多问题需 要大家深入考虑： （1）结构是否存

22、在稳定性问题。我觉得这非常重要，因为通常情况下只要 用户给一个模型， 软件都会算出一个稳定系数。 但是实际上结构不一定存在失稳 问题，可能很显然地是属于强度破坏问题。所以，前期的判断很重要，不要把时 间和精力浪费在没有意义的事情上。 （2）结构的非线性。在整体稳定性分析中可能涉及三种非线性，分别为几 何非线性、材料非线性、边界非线性。其中几何非线性是必须要考虑的；如果要 真实的考虑结构的材料行为还必须考虑材料的非线性问题，也就是材料的应力- 应变关系。 对于一些特殊问题， 比如结构某些支承点有可滑动能力，那么还必须 考虑边界非线性，这样的话问题就更为复杂。 （3）初始几何缺陷。由于加工制造、施

23、工安装、运输等原因，实际结构与 最初的计算模型肯定有一些差别。 所以在计算时通常对计算模型施加一定的初始 几何缺陷，来考虑几何误差对结构稳定承载力产生的影响。实际工程中几何缺陷 的分布与大小应该是与加工厂家、施工单位有关的，应该一种“已知”的“随机 分布”。之所以说是已知的，是因为实际上某一个固定单位的加工、施工误差肯 定存在一定的规律， 只是我们没有去深入研究它。 比如一个固定机器的制作误差 实用标准文案 精彩文档 是可以通过大量测试数据来分析的。而它又是“随机分布”的，因为对于整个大 结构而言，每个节点的几何误差应该是有一定随机分布的特征。 不过，在国内的做法是“一致模态法”，就是按照Bu

24、ckling 分析的第一阶 屈曲模态来进行初始几何缺陷的施加，而最大缺陷大小则按照网壳技术规程 规定的数值（原来是跨度的1/300，不知新规范是否有更改）。这种方法在理论 上是一种保守方法，因为按照第一阶屈曲模态施加的初始几何缺陷是最不利的。 但是原规范规定的最大缺陷值（L/300）一直存在争议，因为在现有技术条件下 有时候偏大很多。 希望国内的制造、 施工单位能对自己公司的产品进行统计分析，为更好地预 测结构的初始几何缺陷提供技术支持。 （4）材料的弹塑性。 Buckling 是一种线弹性分析方法，它预测结构稳定承 载力的前提是假定结构处于线弹性状态。但是把使用荷载的几倍、 十几倍甚至几 十

25、倍施加于结构上， 很可能部分构件已经进入了塑性。所以，最佳方法是在进行 非线性稳定分析过程中考虑材料的弹塑性行为，否则可能会得到非保守的结果。 （5）稳定系数的控制。计算得到结构的整体稳定荷载系数后，问题便集中 在荷载系数 K 的控制上。按照网壳结构技术规程给出的建议值，K 取 5.0。 但是在实际应用中发现很多工程是算不到5.0 的。这有两方面的问题，一是计算 采用的荷载是什么？设计中我们有很多荷载组合（一般采用标准组合） ，不同的 荷载组合计算得到的K 肯定是不同的，所以可能采用某些组合是可以满足要求 的，而另外一些则不满足要求；二是5.0 的限值或许有点大。因为通常5.0 的荷 载作用下

26、结构部分构件已经进入了塑性，也意味着结构可能已经发生了强度破 坏，所以稳定系数已经失去意义。 （6）对计算结果的判断。在一些资料和论文上经常看到“荷载-位移”曲线 为一段上升的曲线， 但是曲线又处于明显的上升阶段。所以通过曲线让人无法判 断计算结果是否达到了结构的稳定承载力。其实目前有限元的计算方法是对模型 施加一定的荷载， 然后让软件去算， 到计算不收敛时， 即认为荷载加到了结构的 稳定承载力。 但是存在这样一个问题： 模型达到稳定承载力是不收敛的，但是并 不是结构不收敛都是因为达到了结构的稳定承载力。也可能是由于数值不收敛、 用户计算参数设置有问题等等原因。所以对计算结果进行合理的判断非常重要。 不要算出一条曲线就说是达到了结构的稳定承载力，是不科学的。 最好的结果是 能够算出下降段，可以明显地找到最大荷载因子。不过，有时候很困难，需要用 户掌握较深的非线性分析理论及具备较多的计算经验。