干货汇总！如何调整优化提高非线性分析收敛性和计算速度？

Answer：调整优化非线性计算的收敛和速度可以说几乎是一种艺术，即没有固定的可循规则。一般经验是，结构的“非线性”越小，非线性的变化越规则，就越容易收敛。想象一下如果你是手算这个非线性问题，对你来讲较容易的，对ANSYS的相应算法也会容易些。可以采取将复杂问题先简单化来验证，比如可以把地震时程分析拿出几点，先做一下静态的非线性分析，同时调整模型看看分析出来的结果是否合理，通过这种简单化后的模型来验证计算、发现问题并解决问题。如果这一步还没有做，那花大量时间做出的时程分析如果计算不收敛或有其它问题，那么相应的找解决办法也会更复杂且会花费大量的时间。一定要记住有限元分析是一个“简化”问题的过程，建立一个模型一定要由浅到深。线性的模型没有搞透不要贸然进攻非线性，静态没有搞透不要随意一上来就搞复杂的非线性的时程分析。

   

非线性分析收敛准则  

   

ANSYS计算非线性时会绘出收敛图，其中横坐标是Cumulative Iteration Number，纵坐标是Absolute Convergence Norm，分别表示累积迭代次数和绝对收敛范数，用来判断非线性分析是否收敛。

ANSYS在每荷载步的迭代中计算非线性的收敛判别准则和计算残差。其中计算残差是所有单元内力的范数，只有当残差小于准则时，非线性叠代才算收敛。

ANSYS默认的收敛准则是将不平衡力的SRSS与VALUEYOLER的值进行比较，对力或力矩进行收敛检查，也可以添加位移收敛准则。ANSYS的位移收敛是基于力的收敛的，以力为基础的收敛提供了收敛量的绝对值，而以位移为基础的收敛仅提供表现收敛的相对量度。一般不单独使用位移收敛准则，否则会产生一定偏差，有些情况会造成假收敛。因此ANSYS官方建议用户尽量以力（或力矩）为基础的收敛准则，如果需要也可以增加以位移为基础的收敛检查。

ANSYS缺省是用L2范数控制收敛，其它还有L1范数和L0范数，可用CNVTOL命令设置。在计算中L2值不断变化，若L2<criterion的时候判断为收敛了，也即不平衡力的L2范数小于设置的criterion时判断为收敛。

另外，非线性计算中用到的一个开关是SOLCONTROL，如关闭SOLCONTROL选项，那么软件默认收敛准则：力或弯矩的收敛容差是0.001，而不考虑位移的收敛容差；如果打开SOLCONTROL 选项，同样的默认收敛准则：但此时力或弯矩的收敛容差是0.005，而位移收敛容差是0.05。

非线性收敛非常麻烦，与网格精度、边界条件、荷载步等一系列因素有关，单元的特点对收敛的影响很大，单元的性态不好收敛则困难些；合理的步长可以使求解在真解周围不至于振荡，步长过小，计算量太大，步长过大，会由于过大的荷载步造成不收敛。网格密度适当有助于收敛，网格太密计算量太大，当然太稀计算结果会有较大的误差。究竟多少往往要针对问题进行多次试算并在保证计算收敛性的、计算精度的同时尽可能的缩短计算时间、提高计算效率。

   

提高非线性分析收敛性和计算速度的方法  

   

非线性计算无法收敛是非常头疼的问题，因为影响非线性收敛稳定性及其速度的因素很多，往往不同的分析过程会有不同的提示，总结不收敛的原因，主要可从以下几大类着手：

1. 检查模型的正确性：如是否存在不完全约束或刚体 位移的情况，这主要是通过施加合理的约束方法来谁解决。如果刚体 位移不可避免，可以人为施加合理的约束使其收敛，workbench就是通过施加弱弹簧来消除刚体 位移的。

2. 检查网格质量：充分利用ANSYS MAP分网和SWEEP分网技术，尽可能获得规整的六面体网格，一方面可减小解题规模，另一方面提高计算精度。如果错误信息提示有“单元出现严重扭曲”等于网格相关的语句时，可以通过查询选择存在警告的单元位于何处，找到位置后再在该处细化。

3. 检查载荷子步和时间步设置：一般是增加子步数或者减少时间步长，这点不用多说了，很实用很有效的方法。可以更容易收敛，避免发散的出现，但要兼顾计算时间的考虑，载荷步增大在增加收敛性的同时也大大增加了计算的时间。

4. 检查材料参数设置：这一错误通常不容易发现，然而非常重要。材料模型不正确意味着不合理的应力应变关系，在施加载荷后往往出现不合理的结构响应，导致自由度位移过大而不收敛。

5. 检查结构是否有不稳定：如果我们分析的结构是一个局部或全局不稳定结果，这一点必须考虑。比如在结构变形过程中出现了屈曲、刚度突变的情况，这个错误是非线性不收敛的一个重要错误。

6. 检查接触的设置：接触是一个状态非线性问题，ANSYS中可选的参数很多，对于不同的接触其中的参数需要合理设置，其中主要的参数有接触行为方式、法向罚刚度因子、pingball域、初始穿透等等。

7. 检查积分参数的设置：在瞬态分析采用完全求解方法时，默认的方法是Newmark方法，四个积分参数由γ控制，在一些特殊情况下，考虑数值衰减效果更加理想的HHT方法，或者手动设置四个积分参数（但是这必须在你非常清楚积分参数的影响和保证无条件收敛的情况下才可以）。

8. 变形分析中约束方程的设置：一旦约束方程的节点的位移不满足方程存在的条件的话就会产生变形不合理、不收敛的情况。最好的方法就是从out或error信息中寻找突破点。

9. 放大收敛准则和收敛精度：以位移控制时调整为0.05，以力控制为0.01，此方法放大收敛准则其实是在降低计算精度的条件下得到近似解，并且放大的收敛准则是否与实际相符或有实际意义应仔细考虑。

10. 足够大的平衡迭代步数，默认为25，可以放大到很大(100)(eqit,eqit)：但此种方法不一定奏效，往往造成不收敛的原因较多，并不是一味的增加迭代次数就能收敛的。

11. 对于线性单元和无中间节点的单元（SOLID65和SOLID45）：关闭EXTRA DISPLACEMENTS OPTIONS（在OPTIONS中）。

12. 对于CONCRETE材料，可以关闭压碎功能：将CONCRETE中的单轴抗压强度设置为-1（tadata,mat,shrcf-op,shrcf-cl,UntensSt,UnCompSt(-1)）。

13. 非线性逼近技术的合理设置

ANSYS中非线性法有牛顿－拉普森法和弧长法。牛顿－拉普森法是我们常用的方法，收敛速度较快，但也和结构特点和步长有关。弧长法常被某些人推崇备至，它能算出力加载和位移加载下的响应峰值和下降响应曲线。但也需明白：在峰值点，弧长法仍可能失效，甚至在非线性计算的线性阶段，它也可能会无法收敛。为此，我们尽量不要一开始就激活弧长法，还是让程序自己激活为好（否则可能出现莫名其妙的问题）。

14. 非线性算法的合理选择（求解器）

ANSYS中非线性算法主要有：稀疏矩阵法（SPARSE DIRECT SOLVER）、预共轭梯度法（PCG SOLVER）和波前法（FRONT DIRECT SLOVER）。

稀疏矩阵法是性能很强大的算法，一般默认即为稀疏矩阵法（除了子结构计算默认波前法外）。预共轭梯度法对于3-D实体结构而言是最优的算法，但当结构刚度呈现病态时，迭代不易收敛。为此推荐以下算法：

1）BEAM单元结构，SHELL单元结构，或以此为主的含3-D SOLID的结构，用稀疏矩阵法；

2）3-D SOLID的结构，用预共轭梯度法；

3）当你的结构可能出现病态时，用稀疏矩阵法；

4）对大规模问题，建议采用PCG法。此法比波前法计算速度要快10倍以上（前提是您的计算机内存较大）。对于工程问题，可将ANSYS缺省的求解精度从1E-8改为1E-4或1E-5即可。

5）当你不知道用什么时，可用稀疏矩阵法。

关于非线性分析基本概念和软件设置方面的更多问题，可查看以下链接的文章内容：

如何从ANSYS软件输入和输出方面有效提高非线性分析

随着非线性分析方法，如弹塑性分析未来在压力容器行业的应用，对非线性分析也需要有更多深入的了解，本文内容来源于网络，并由笔者整理而成，欢迎朋友们补充更多的方法。