Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

15
 © 2011 ANSYS, Inc. February 17, 2012 1  Lecture 5 Nonlinear Stabilization ANSYS Mechanical Basic Structural Nonlinearities

Transcript of Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

Page 1: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 1/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20121

Lecture  5

Nonlinear Stabilization

ANSYS Mechanical

Basic Structural Nonlinearities

Page 2: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 2/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20122

Chapter Overview

This Lecture will present the use of  Nonlinear Stabilization to solve global and 

local nonlinear buckling problems

•   It is assumed that the user has already covered Lecture 2

The Specific

 topics

 introduced

 are:

A. Background on unstable structures

B. Understanding Nonlinear Stabilization

C. Controlling the Stabilization Force 

D. Stabilization Input

E. Reviewing Results

F. Workshop

The capabilities described in this Chapter are generally applicable to  ANSYS 

Structural  licenses and above.

Page 3: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 3/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20123

• Many structures require an evaluation of  their structural stability.  Thin 

columns, compression members, and vacuum tanks are all examples of  

structures where stability considerations are important.

• The instability

 could

 be

 global

 (such

 as

 a snap

‐through)

 or

 local

 (such

 as

 yielding

 

or buckling at a concentrated load or support). 

• Instability problems usually pose convergence difficulties and therefore require 

the application of  special nonlinear techniques. 

A. Background on Unstable Structures

Page 4: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 4/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20124

• At the onset of  instability (buckling) a structure will have a very large change in 

displacement { u} under essentially no change in the load (beyond a small load 

perturbation). 

... Background on Unstable Structures

F   F

StableUnstable

 u

Page 5: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 5/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20125

•   Nonlinear stabilization can be understood as adding an artificial damper or 

dashpot element at each structural element node

•   The solver calculates a damping force (f d) proportional to the relative pseudo 

velocity 

of  

the 

two 

nodes 

of  

the 

artificial 

dashpot 

element. –    The pseudo velocity is calculated as a displacement increment divided by the time 

increment of  the substep

B.  Understanding Nonlinear Stabilization

F

f d

Page 6: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 6/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20126

With this dashpot model in view:

•   Any DOF that tends to be unstable has a large displacement increment causing 

a large damping (stabilization) force; this force, in turn, reduces the 

displacements at the DOF so that stabilization is achieved. 

•   For the DOFs that are stable, the dashpot elements have little effect on the 

results because the displacements and the stabilization forces are small relative 

to the physical forces. 

•  The

 coefficient

 used

 to

 calculate

 the

 stabilization

 force

 is

 also

 referred

 to

 as

 the

 “damping factor”. 

 –   Although it has the same physical meaning and unit as physical damping, it is 

purely numerical in nonlinear stabilization. 

...  Understanding Nonlinear Stabilization

Page 7: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 7/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20127

There are two methods available in Mechanical  for controlling the stabilization 

force

•   Energy

•  Damping

 factor

 calculated

 automatically

•   Factor can vary from element to element.

•   Best suited for local instability (i.e. plasticity)

•   Damping•   User defines a damping factor directly. 

•   Same factor used for all applicable elements.

•   Recommended when user has a specific damping 

factor in

 mind.

•   For challenging nonlinear problems, it is sometimes helpful to employ both methods, 

starting first with the Energy method and switching to the Damping method in a 

subsequent restart

C.  Controlling the Stabilization Force

Page 8: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 8/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 20128

... Controlling the Stabilization Force

Energy Method

• Energy Dissipation Ratio

 –   Ratio of  the work done by stabilization forces to the 

element potential energy.

 –   Should be large enough to circumvent the 

divergence, but small enough to avoid excessive 

stiffness. (Typically between 0 and 1.0)

It is a good practice to examine the energies after the solution has completed 

because the energy dissipation ratio of  the solution could be greater than the 

ratio initially specified. 

Page 9: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 9/15

Page 10: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 10/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201210

...  Stabilization Input•   There are also three activation options for 

controlling stabilization for the first substep

-   NO:  Stabilization is not activated (Default)

-

  ON 

NONCONVERGENCE: 

Activate 

Stabilization 

only 

when min time increment is reached and the analysis 

has still not converged

-   YES: Activate Stabilization regardless of  time 

increment for first substep.

•   In most well posed problems, no stabilization is necessary at first substep

because the structure is initially stable, assuming the time increment is 

reasonable. 

 –   Stabilization is designed to overcome physical instabilities (i.e. properly 

constrained models that fail due to buckling and/or localized material 

yielding).  It will not resolve numerical instabilities associated with ill 

conditioned matrices (poorly constrained structures).

Page 11: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 11/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201211

...  Stabilization Input

•   In addition, user can receive feedback on 

magnitude of  Stabilization Forces relative to the 

overall imbalance forces

-   When the L2‐norm of  the stabilization force exceeds 

the L2

‐norm

 of 

 the

 internal

 force

 multiplied

 by

 the

 

stabilization force coefficient, the Solver issues a 

message displaying both the stabilization force norm 

and the internal force norm. Refer to Section 

15.13.2 of  Theory Manual for detailed description of  

L2‐norm

 calculations.

-   Default is 0.2 (=20%)

-   The message is intended to alert user to the 

presence of  an excessive stabilization force in the 

run.

-   User can choose to tighten or loosen this tolerance 

depending on the application

Page 12: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 12/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201212

E.  Reviewing Results•  When

 Stabilization

 has

 been

 activated,

 it

 is

 always

 a good

 practice

 to

 determine

 

the extent of  its influence on results accuracy 

 –   One way to do this is to post process the Strain Energy of  the system and compare it 

to the “Stabilization Energy” created by the artificial damping introduced to bring 

about convergence

 –   As a general rule, the stabilization energy should be small (<<10% of  strain energy) in 

comparison

Page 13: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 13/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201213

It is also helpful to examine the reaction forces and moments to gain an 

understanding of  how much Stabilization forces are introducing fictitious loads 

into model

...  Reviewing Results

Page 14: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 14/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201214

Summary

•   Many structures require an evaluation of  their structural stability.

•   Instability problems usually pose convergence difficulties and therefore 

require the application of  special nonlinear techniques. 

•   Nonlinear stabilization

 can

 be

 understood

 as

 adding

 an

 artificial

 damper

 or

 

dashpot element at each structural element node

•   There are two methods available in WB‐Mechanical for controlling the 

stabilization force, Energy and Damping.

•   When Stabilization has been activated, it is always a good practice to 

determine the extent of  its influence on results accuracy by postprocessing

the stabilization energy and comparing with strain energy as well as 

examining the force and moment reactions.

Page 15: Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

7/21/2019 Basic Structural Nonlinearities - Nonlinear Stabilization

http://slidepdf.com/reader/full/basic-structural-nonlinearities-nonlinear-stabilization 15/15

© 2011 ANSYS, Inc. February 17, 201215

...  Workshop

Please refer to your Workshop Supplement  for instructions on:

W5A‐ PostBuckling with Stabilization