非線性分析的三種來源:材料非線性、幾何非線性、邊界非線性—在真實的工程問題裡經常同時發生,通常不會只有一種來源。
重點摘要
- 前五篇文章介紹非線性來源,包括材料、幾何和邊界條件的影響。
- 金屬成形製程展示三種類型非線性的同時存在,主要影響勁度矩陣 K 的變化。
- 在非線性分析中,K 隨著外力 P 和位移 u 的變化而變化,且分析的結果不再是固定的。
- 未來將推出兩個新系列,分別探討如何求解和驗證非線性分析的結果。
- 金屬成形過程中,材料進入塑性及形狀改變,導致非線性現象,同時涉及邊界條件變化。
這個系列前五篇文章初步介紹什麼是非線性,又根據他造成勁度矩陣 K 變化的原因拆成三條線分開來說明,分別是材料、幾何與邊界條件非線性。這篇讓我們來直接討論同時牽涉三種非線性來源的例子:金屬成形製程,包括鍛造、鐓粗、延伸、深沖作為系列的總結,會用這個案例把前五篇串起來,再往下一步問一個問題:既然勁度矩陣 K 會因為這些因素受到影響,那麼計算時到底是怎麼把答案解出來呢?
回顧:非線性的來源,K 的變化方式
先花一點篇幅,把前五篇各自讓 K 變成非線性的方式整理起來:
- K(勁度矩陣):連結力與位移的矩陣(P = Ku),代表結構抵抗變形的能力
- D(材料的應力應變關係矩陣):描述材料受到多大的應變,會產生多大的應力。結構的 K 是由 D 與結構的幾何形狀整合出來的,所以 D 一變,K 就跟著變
- K₁、K₂:幾何非線性才會出現的兩項額外勁度。K₁ 來自變形夠大時,應變不再與位移成正比的部分;K₂ 來自結構既有的應力狀態
| 非線性來源 | K 如何變化 |
|---|---|
| 材料非線性 ( 彈塑性 ) | 應力超過降伏點後,D 矩陣隨應力狀態、硬化歷史改變 |
| 材料非線性(潛變、黏彈性、黏塑性) | D 矩陣隨時間、溫度、應變率改變,不需要超過降伏點 |
幾何非線性 | 形狀本身的改變,透過 K1(應變-位移非線性)、K2(既有應力狀態的貢獻)讓 K 改變 |
| 邊界(條件)非線性 | 接觸狀態、支承勁度、載重方向隨分析過程改變,且經常是不連續的跳變 |
有限元素分析,本質上是在求解結構的力與位移之間的關係。線性分析裡,這個關係是:
P 是外力,u 是位移,K 是勁度矩陣,代表結構抵抗變形的能力。線性分析裡 K 是固定不變的常數。非線性分析裡,K 不再是常數,它會隨著當下的受力和位移而改變,上面的方程式變成:
這個非線性系列的文章,回答的就是同一個問題:K 為什麼隨著 P 和 u 而變化?然後拆解成材料、幾何、邊界,是三種不同的原因來說明。
複合非線性:金屬成形製程
進階非線性模擬軟體 Marc 的使用手冊中,在討論大應變塑性分析的能力時,這樣描述:
大應變塑性分析可以用來分析大應變、彈塑性材料行為的問題,這些問題包括鍛造、鐓粗、延伸、深沖這類製造流程,以及結構在塑性崩潰過程中發生的大變形—這類分析同時牽涉材料、幾何、以及邊界非線性。
把這句話拆開來看,金屬成形這個製程,剛好同時有前面五篇分別討論的三種非線性來源:
材料非線性:金屬被沖壓、鍛造成型的過程中,材料早已超過降伏應力、進入大範圍的塑性變形,也因此會變成另外一個形狀。這是彈塑性行為,只是這裡的應變量遠遠超過一般彈塑性分析的範圍,這類分析需要開啟 LARGE STRAIN 參數才能處理。
幾何非線性:成形過程中,工件的形狀劇烈改變,從一塊平整的胚料變成完全不同的立體形狀,這是第4篇談的大變形問題,結構的幾何勁度矩陣在這個過程裡持續劇烈變化。
邊界非線性:金屬成型製程裡材料會沿著彎曲的模具表面滑動,不論有沒有摩擦,都會形成嚴重的非線性邊界條件。在分析設定上需要用間隙-摩擦元素或 CONTACT 接觸設定來處理這種滑動邊界條件造成的 K 矩陣變化。這是上篇談的接觸問題,工件跟模具之間的接觸狀態,隨著成形過程不斷變化。

三種非線性來源,在同一個分析裡同時發生,缺一不可。材料不塑性變形就成不了形,形狀不劇烈改變就不是成形,工件若不和模具接觸滑動就無從施力。
其實前面已經埋過伏筆
如果你從材料非線性的文章讀到現在,其實已經看過不只一次「複合非線性」的預告,只是規模比金屬成形小一點:
材料的頸縮 (necking):材料進入大範圍塑性變形後,結構可能出現頸縮這種局部失穩現象。頸縮同時牽涉材料降伏與截面形狀改變,已經同時有材料非線性和幾何非線性的表現。
材料的潛變挫屈 (buckling):結構在固定載重下,因為潛變效應,內部應力會隨時間重新分布,這個過程有可能讓結構逐漸接近幾何不穩定的臨界狀態。這裡同時有材料非線性(潛變,且是跟時間有關的那一種)和幾何非線性(挫屈)。
金屬成形只是把這種「複合」的規模再放大一級:不僅是非線性兩種來源,而是三種來源。
不管哪一種,本質都是同一條公式
非線性系列文章,從第1篇的 P=Ku 開始,一路走到這裡,核心邏輯其實沒有變過:結構的勁度矩陣 K,是材料的 D 矩陣跟結構幾何積分出來的結果。材料非線性透過改變 D 讓 K 非線性化;幾何非線性透過形狀改變(K1、K2)讓 K 非線性化;邊界非線性透過接觸、支承、載重的狀態改變讓 K 非線性化。
金屬成形這個例子說明的是:這三條路徑不是互斥的選項,而是可以同時發生、彼此疊加的。當材料進入塑性(D 變了)、形狀劇烈改變(K1、K2 變了)、又同時跟模具接觸摩擦(邊界條件也變了),三者疊加在一起,就是「同時牽涉材料、幾何、以及邊界非線性」。
下一步:怎麼求解、怎麼驗證
好了,讀到這篇文章,你應該已經對什麼是非線性分析,有了不少認識。其實每篇文章都在回答同一個問題:「K 為什麼會變成非線性?」。把握這點,每次遇到模擬上的問題就可以朝這個方向思考。
接下來,我們要來了解,模擬分析軟體如何求解,來處理這樣一個不斷變動的 K ?以及很多人在模擬分析工作上常被問到的問題:怎麼知道你模擬出來的答案是可信的呢?這兩個問題,牽涉到 Newton-Raphson 疊代、收斂判斷準則、網格收斂性測試這些完全不同的主題,也可以延伸討論到模擬分析的 Validation 和 Verfication ( V&V )議題,值得另外開一個系列來討論。
如果有機會,接下來預計推出兩個新系列文章,也請讀者一起思考:
- 《非線性怎麼解?》:從 Newton-Raphson 方法,說明求解器如何一步一步逼近這個不斷變動的 K,以及收斂判斷準則、Loading 步進的策略
- 《V&V:怎麼知道答案可信?》:說明模擬結果的驗證與確認(Verification & Validation),包括收斂性測試、與解析解或實驗比對等方法
當然,你如果有想看哪一方面的主題文章,也歡迎留言分享給我們。
常見問題
A::材料非線性(材料的應力應變關係隨狀態改變,讓 D 矩陣變動)、幾何非線性(結構形狀的改變,透過 K1、K2 讓勁度矩陣變動)、邊界非線性(接觸、支承、載重等邊界條件的改變,且常是不連續的跳變)。
A:因為金屬成形(鍛造、鐓粗、延伸、深沖)同時牽涉三種非線性:金屬進入大範圍塑性變形(材料非線性)、工件形狀劇烈改變(幾何非線性)、材料沿模具曲面滑動形成接觸與摩擦(邊界非線性)。原文件明確指出這類分析同時牽涉材料、幾何、邊界非線性。
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