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）

ruanyuankj

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进行计算。分析结果见下文。
  
ANSYS BEAM44分析结果
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.10        6.36        7.11        7.43        8.03
N2        6.08        6.34        7.08        7.40        7.99
N3        6.08        6.34        7.08        7.40        7.98
N4        6.08        6.34        7.08        7.39        7.98
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
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.81        7.09        8.15        8.61        9.35
N2        6.25        6.52        7.34        7.69        8.34
N3        6.15        6.42        7.19        7.53        8.14
N4        6.12        6.38        7.14        7.47        8.07
N5        6.10        6.36        7.12        7.44        8.04
N6        6.09        6.35        7.10        7.43        8.02
N7        6.09        6.35        7.10        7.42        8.01
N8        6.08        6.34        7.09        7.41        8.00
N9        6.08        6.34        7.09        7.41        7.99
N10        6.08        6.34        7.09        7.40        7.99
ANSYS BEAM189分析结果
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.10        6.36        7.12        7.44        8.05
N2        6.07        6.33        7.08        7.40        7.98
N3        6.07        6.33        7.08        7.39        7.98
N4        6.07        6.33        7.08        7.39        7.97
由表格可以看出，利用ANSYS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，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（每行从左到右分别为第1、2、3阶）：

  
BEAM44单元计算结果

  
   
BEAM188单元计算结果


   
BEAM189单元计算结果
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。

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
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.22        6.49        7.26        7.58        8.24
N2        6.02        6.28        7.00        7.30        7.49
N3        5.99        6.25        6.95        7.25        7.85
N4        5.97        6.23        6.93        7.23        7.83
N5        5.97        6.23        6.92        7.23        7.82
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
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        5.99        6.25        6.96        7.26        7.88
N2        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
N3        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
N4        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
ABAQUS B33单元分析结果
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.04        6.32        6.85        7.15        7.90
N2        5.99        6.25        6.92        7.22        7.85
N3        5.98        6.24        6.93        7.23        7.84
N4        5.98        6.24        6.93        7.24        7.84
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）：

  
  
B31单元计算结果
  
  

B32单元计算结果
  
  
B33单元计算结果
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ANSYS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
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        6.10        6.36        7.12        7.44        8.05
N2        6.07        6.33        7.08        7.40        7.98
N3        6.07        6.33        7.08        7.39        7.98
N4        6.07        6.33        7.08        7.39        7.97
ABAQUS B32单元分析结果
        E1        E2        E3        E4        E5
N1        5.99        6.25        6.96        7.26        7.88
N2        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
N3        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
N4        5.96        6.22        6.91        7.21        7.80
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。
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：
  
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：
  

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。
另外本人认为通过Buckling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Buckling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。

wyi070707

作者牛X，高水平的技术贴，（嘿嘿虽然没怎么看明白）希望论坛当中的高手积极发言

sjzdh

这个得学习学习

sunweistef

看了帖子，受益匪浅。