ANSYS的求解组织过程与载荷步概念

载荷步是ANSYS软件的一个重要概念。ANSYS的静力、动力分析（甚至包括特征值问题）的求解过程都是通过载荷步来组织的。本文向读者介绍载荷步的概念、以静力分析为例介绍ANSYS的求解组织过程以及分析“时间”的意义。

1.载荷步的意义

载荷步是ANSYS结构分析中的一个重要概念。所谓一个载荷步，通俗的解释就是一个施加一组特定荷载并求解的过程。一个完整的载荷步定义包括约束条件、载荷以及与载荷步相关的选项设置等内容。

2.ANSYS求解过程的组织

ANSYS中的求解过程通过载荷步组织的，也就是说整个求解过程可以划分为一个或多个载荷步。对于只包含一个载荷步的分析称为单步分析，包含多个载荷步的分析称为多步分析。

对于结构静力分析，可以包含单个载荷步，也可以包含多个载荷步。单个载荷步的分析可以理解为一种单一工况下的静力分析过程。对于多工况分析，在MechanicalAPDL中可以通过多个载荷步逐个分析；在Workbench中，通常通过复制分析系统的方式结合Mechanical应用下的SolutionCombination功能实现各工况分析及工况组合，这时多工况分析的实质是多个单载荷步分析，而不是多步分析。

多步分析的作用是划分不同的加载阶段，载荷步个数的设置通常与载荷的“历程”相关，如下图所示的Pressure荷载，根据其变化情况，设置了4个载荷步。

非线性静力分析和动力分析中，每一个载荷步又可以细分为多个载荷子步。对于线性分析而言，载荷步不需要细分为子步。对于非线性问题，载荷是逐级施加的，采用增量加载，如果要施加的荷载总量作为一个载荷步来求解，则每一级加载就是一个子步，每个子步通常还包含多次的平衡迭代，每一次平衡迭代即相当于一次线性静力求解。

每一个载荷步在静力分析中，载荷步结束的“时间”仅表示加载的次序而没有实际意义。对于非线性的静力分析，载荷步结束的“时间”可以指定为要施加的载荷总量，这样的“时间”可以直观地指示出当前加载所达到的数值；如果非线性分析的载荷步“时间”设为1，则“时间”表示当前增量加载达到目标荷载的百分数。

非线性分析中，如果以表格方式定义整个载荷-“时间”历程数据，那么整个求解过程将仅包含一个载荷步，但是根据求解过程的需要，还是要设置必要数量的载荷子步，一方面是为了准确“捕捉”载荷历程数据，另一方面也是非线性求解过程的需要。

载荷步可以被进一步细分为多个子步，每个子步结束的“时间”按照子步占载荷步的比例来计算。对静态分析尽管“时间”没有实际意义，但“时间”总是单调增加的，就像在瞬态动力分析中的真实时间一样，不能“倒流”。

3.ANSYS Workbench中的载荷步设置

在Workbench的Mechanical应用界面下，通过AnalysisSettings分支完成载荷步的定义及分析选项的设置。除了载荷步控制选项，AnalysisSettings中还涉及到求解器控制、重启动控制、非线性控制、输出控制、分析数据管理等类型的选项设置，非线性选项是与载荷步相关的，即每一个载荷步需要分别进行设置的，其他选项则是与载荷步无关的，即对于所有载荷步来说是相同的。本文只着重介绍分析设置选项中的载荷步控制选项，即AnalysisSettings中的Step Controls选项，如下图所示。

Number Of Steps表示设置的载荷步数，单步分析为1，多步分析可根据需要设置。

Current Step Number表示当前载荷步，设置为k时，表示对第k个载荷步进行其他载荷步相关的选项设置，k为载荷步数。

Step End Time表示当前载荷步（比如，第k步）的结束时间。

Auto Time Stepping表示自动时间步选项，如下图所示，一般用于非线性或瞬态分析中。

当AutoTime Stepping设置为Program Controlled（即程序控制）为缺省选项，程序将基于分析类型来设置载荷步及子步，相关设置列于表1中。

表1 程序控制自动时间步选项缺省值

分析类型	初始子步数 （Initial Substeps）	最小子步数 （Minimum Substeps）	最大子步数 （Maximum Substeps）
静力分析（线性）	1	1	1
静力分析（非线性）	1	1	10
稳态热分析（线性）	1	1	10
稳态热分析（非线性）	1	1	10
瞬态热分析	100	10	1000

当AutoTime Stepping设为On时，打开自动时间步。可以基于子步数或基于时间两种不同的方法设置自动时间步选项。

(1)基于子步数

在DefinedBy中选择Substeps时，通过设置初始子步数（InitialSubsteps）、最小子步数（Minimum Substeps）以及最大子步数（MaximumSubsteps）三个值来设置自动时间步长的变化范围，如下图所示。

(2)基于时间

在DefinedBy中选择Time时，通过设置初始时间步（InitialTime Step）、最小时间步（Minimum Time Step）以及最大时间步（MaximumTime Step）三个值来设置自动时间步长的变化范围，如下图所示。

实际上，以上两种方式本质上是一致的，子步数就等于载荷步结束时间除以时间步长值。

当AutoTime Stepping设为Off时，关闭自动时间步，直接为当前载荷步定义固定的子步数或时间步长。

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