摘要：隨著超高層建筑、大跨度結構、地下工程等大量的涌現，結構設計分析領域需要考慮的因素越來越多，也越來越復雜。比如超高層建筑與大跨度結構的施工過程模擬分析，鋼結構焊接與退火的模擬，隧道挖掘的模擬分析等等，在這些分析過程中需要在結構中加入或移除某些構件，這時或許希望能使模型中的某些單元“不存在”或“存在”，而ANSYS的生死單元技術正好滿足了此要求，因此在這些分析領域有非常大的應用，本文對ANSYS生死單元技術做了個系統性的總結。

　　關鍵詞：ANSYS,生死單元

　　1 引言

　　隨著超高層建筑、大跨度結構、地下工程等大量的涌現，結構設計分析領域需要考慮的因素越來越多，也越來越復雜。比如超高層建筑與大跨度結構的施工過程模擬分析，鋼結構焊接與退火的模擬，隧道挖掘的模擬分析等等，在這些分析過程中需要在結構中加入或移除某些構件，這時或許希望能使模型中的某些單元“不存在”或“存在”，而ANSYS的生死單元技術正好滿足了此要求，在這種情況下，可以在模型加載過程中的某一指定時間 (載荷步)中利用單元的生與死選項來殺死或重新激活選定的單元，因此在這些分析領域有非常大的應用，本文對ANSYS生死單元技術做了個系統性的總結，主要從技術的原理，應用步驟，注意事項及相關例子四個方面展開。

　　2 正文

　　(1)ANSYS單元生死的原理：

　　在ANSYS中，單元的生死功能被稱為單元非線性，是指一些單元在狀態改變時表現出的剛度突變行為，其被定義為一種狀態變化的非線性。在ANSYS中，單元的生死功能是通過修改單元剛度的方式實現的，單元被“殺死”時，它不是從剛度矩陣刪除了，而是它的剛度降為一個低值，殺死的單元的剛度乘以一個極小的減縮系數(缺省為 1e-6)，為了防止矩陣奇異，該剛度不設置為0;第二與殺死的單元有關的單元載荷矢量(如壓力、溫度)是零輸出，對于殺死的單元，質量、阻尼和應力剛度矩陣設置，單元一被殺死，單元應力和應變就被重置為0;第三因為殺死的單元沒有被刪除，所以剛度矩陣尺寸總是保持著。

　　與之相似，當單元“活”的時候，也是通過修改剛度系數的方式實現的。所有的單元，包括開始被殺死的，在求解前必須存在，這是因為在分析過程中剛度矩陣的尺寸不能改變，所以，被激活的單元在建模時就必須建立，否則無法實現殺死與激活。當單元被重新激活時，它的剛度、質量與荷載等參數被返回到真實狀態，但它們沒有任何應變歷史記錄，它們通過生和死操作被“退火”，生的時候所有應力和所有應變等于零;當大變形效應打開時(NLGEOM，ON)，為了與當前的節點位置相適應，單元被激活后，其形狀會被改變(拉長或壓短)。當不使用大變形效應時，單元將在原始位置被激活。

　　(2)單元生死技術應用步驟：

　　第一，建模，對整個工程結構進行建模，模型中需要包括你分析過程中涉及到的所有單元，這其中有包括將要殺死或激活的單元，比如在施工過程模擬分析中用到的支撐胎架構件，在施工過程模擬中就需要建立，因為在施工的過程中其就需要被拆除也就是軟件中相關的單元的殺死。為了不影響后續工作的效率，在此過程中一個重要點就是對將要進行殺死或激活的單元進行分組定義，相關命令為cm，以方便后期分析的時候能夠更快的選擇，然后把其殺死或者激活。當然并非所有單元都支持生與死的操作，只能殺死或激活那些具有生死能力的單元，關于這方面大家需要參考ANSYS高級分析技術手冊，那里列出了所有支持生死操作的單元類型。

　　第二，定義第一個荷載步。在第一個荷載步中，必須選擇分析類型和適當的分析選項。通常情況下，應該打開大應變效應，而且當要使用單元死活行為時，必須在第一個荷載步中明確設置Newton-Raphson選項。若不存在其它非線性，應明確指定完全 Newton-Raphson 選項并且為 “Newton-Raphson option” 指定 “Full N-R” (NROPT，FULL)，此法每進行一次平衡迭代就修改一次剛度矩陣。因為在后面的載荷步中程序不能預測 EKILL 命令的存在，所以若不存在其它非線性，則務必在第一個載荷步明確設置 Newton-Raphson 選項。

　　第三，荷載步。在接下來的荷載步中，可以按照設計好的流程，將單元殺死或激活。

　　第四，查看結果。與常規計算類似。

　　(3)使用生死單元的注意事項：

　　1)建模方面的注意事項：

　　1.約束方程不能施加在死的自由度上;

　　2.程序默認的單元剛度系數不一定適用，可根據實際問題進行調整，相關步驟為Solution > Load Step Opts > Other > Birth & Death > Stiffness Multiplier >;

　　3.注意約束方程(CE or CEINTF) 不能用于殺死的自由度;

　　4.當殺死單元被重新激活時，若想保持單元的形狀，則約束殺死單元的節點可能是重要的，重新激活單元時，務必刪除這些人為的約束;

　　5.不與任何單元連接的節點會“漂移”，有些情況下，可能想約束殺死的自由度，以減少要求解的方程數目或避免病態(前已述及縮減系數 ESTIF 在剛度矩陣中產生較小量，可能引起病態);

　　6.當有單元死活行為時，LSWRITE不能使用;

　　7.若需保持殺死單元的應變歷史，可在求解器中通過改變材料屬性來殺死單元。Solution > Load Step Opts > Other > Change Mat Props然而該選項不刪除單元力、應變、質量、比熱等，求解中草率使用材料屬性的改變會導致收斂問題，例如，若一個單元剛度降為0，但保留它的質量，則加速度載荷會導致奇異。

　　2)荷載方面的注意事項：

　　1.對于殺死的單元，單元載荷矢量(壓力、溫度)自動置零，質量被置零所以加速度載荷也不影響殺死的單元;

　　2.集中節點力不能自動從殺死單元的自由度中刪除，用戶必須手動刪除殺死節點的集中載荷。類似地，當單元重新激活時，這些節點載荷必須重新施加;

　　3.對于重新激活單元，所有單元和慣性載荷(壓力、溫度和加速度)被恢復 ，節點力，如上所述，不受單元死活的影響。

　　3)求解選項的注意事項：

　　1.LSWRITE和 LSSOLVE 命令不能用于死活選項，需要使用一系列明確的 SOLVE 命令來進行多載荷步求解;

　　2.自適應下降可以用于單元死活，打開自適應Newton-Raphson選項通常提供較好的結果

　　4)獲得收斂的注意事項:

　　1.非線性分析中，在殺死或重新激活單元時注意不要產生奇異點 (例如結構分析中尖銳的內曲角) 或大的剛度突變，這種情形很可能引起收斂困難;

　　2.殺死和重新激活單元引起系統剛度的突變(階躍改變)，因此，若這些改變太劇烈，則可能發生收斂困難。若出現收斂困難，則需要限制給定載荷步的殺死或激活的單元數。

　　3.可以通過計算結果來判斷單元是否應該被殺死和激活，比如軸力、應變等;

　　(4)相關例子

　　一個兩端固結梁的三階段施工過程的結構分析，第1階段左右端懸臂，第2階段澆注中間段，第3階段完成，跨中受集中力F=50Kn，長度L=30m，b=0.4。材料特性：彈性模量E=3.07EkPa，泊松比=0.17，密度DENS=2.5t/m3。

　　相關命令流如下：

　　/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 結語

　　本文通過從原理，操作步驟，操作過程中的注意事項，以及附帶的一個小例子對ANSYS生死單元技術做了一個系統性的總結，相信能夠為大家做相關方面的技術分析提供有力的支持。

　　參考文獻：

　　[1] 博嘉科技. 有限元分析軟件-ANSYS融會與貫通[M].北京：中國中國水利水電出版社

　　[2] 王新敏. ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社