Abaqus中的分析步和接觸

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、 ABAQUS中的分析步

模擬計(jì)算的加載過程包含單個(gè)或多個(gè)步驟,所以要定義分析步。它一般包含分析過程選擇,載荷選擇,和輸出要求選擇。而且每個(gè)分析步都可以采用不同的載荷、邊界條件、分析過程和輸出要求。例如:步驟一:將板材夾于剛性?shī)A具上。步驟二:加載使板材變形。步驟三:確定變形板材的自然頻率。增量步是分析步的一部分。在非線性分析中,一個(gè)分析步中施加的總載荷被分解為許多小的增量,這樣就可以按照非線性求解步驟來進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)提出初始增量的大小后,ABAQUS會(huì)自動(dòng)選擇后繼的增量大小。每個(gè)增量步結(jié)束時(shí),結(jié)構(gòu)處于(近似)平衡狀態(tài),結(jié)果可以寫入輸出數(shù)據(jù)庫(kù)文件、重啟動(dòng)文件、數(shù)據(jù)文件或結(jié)果文件中。選擇某一增量步的計(jì)算結(jié)果寫入輸出數(shù)據(jù)庫(kù)文件的數(shù)據(jù)稱為幀。迭代步是在一增量步中找到平衡解的一種嘗試。如果模型在迭代結(jié)束時(shí)不是處于平衡狀態(tài),ABAQUS將進(jìn)行另一輪迭代。隨著每一次迭代,ABAQUS得到的解將更接近平衡狀態(tài);有時(shí)ABAQUS需要進(jìn)行許多次迭代才能得到一平衡解。當(dāng)平衡解得到以后一個(gè)增量步才完成,即結(jié)果只能在一個(gè)增量步的末尾才能獲得。

step,increment,attempt,iteration,的關(guān)系
1)step 分析步
2)increment 時(shí)間增量步
3)attempt 減小增量步的嘗試,即“cutback”
4)iteration 迭代
在一個(gè)計(jì)算中有可能用到多步分析,比如建一個(gè)土石壩,每激活(add)一個(gè)填筑層就是一個(gè)分析步step;
在每個(gè)step中,如果考慮非線性,step就會(huì)分成幾個(gè)增量步(increment)進(jìn)行計(jì)算;
在每個(gè)increment中,會(huì)有減小增量步的嘗試(attempt),在每個(gè)attemp中,要進(jìn)行迭代計(jì)算(iteration)。
如果迭代收斂,則在下一個(gè)increment中會(huì)增大時(shí)間增量步(比如第一個(gè)increment=0.2,則下一個(gè)會(huì)增大為0.3)
如果迭代無法達(dá)到收斂,則ABAQUS會(huì)自動(dòng)減小時(shí)間增量步(減小increment),即所謂的“cutback”,如果仍然不能收斂,則會(huì)繼續(xù)減小時(shí)間增量步,默認(rèn)的cutback最大次數(shù)為5次,也就是attempt最大=5,如果5次之后仍不能收斂則ABAQUS會(huì)停止分析,顯示錯(cuò)誤:too many attempts made for this increment:analysis terminated.
increment時(shí)間增量步有最小值,默認(rèn)的是1e-5,如果increment減小到比這還小,ABAQUS就會(huì)停止分析,出現(xiàn)錯(cuò)誤:time increment required is less than the minimum specified.
increment的值可以在關(guān)鍵字*static中修改:
*static 1., 1., 1e-05, 1.
分別為初始增量步,分析時(shí)間步,最小增量步,最大增量步
可以用關(guān)鍵字*Step設(shè)定一個(gè)分析步中increment的最大步數(shù),如:
*Step,INC=600 (the maximum number of increments in a step,默認(rèn)的是100 )
*static和*Step中的increment是相同的,*Step,INC默認(rèn)為100,而*static中默認(rèn)為1e-5,并不是100*(1e-5)=1,這兩個(gè)數(shù)都是限值,即number of increments最大為100,而increment最小為1e-5。

二、 ABAQUS中接觸

1. 點(diǎn)對(duì)面離散與面對(duì)面離散

在點(diǎn)對(duì)面離散方法中,從面(slave surface)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)在主面(master surface)上的投影點(diǎn)建立接觸關(guān)系,每個(gè)接觸條件都包含一個(gè)從面節(jié)點(diǎn)和它的投影點(diǎn)附近的一組主面節(jié)點(diǎn)。使用點(diǎn)對(duì)面離散方法時(shí),從面節(jié)點(diǎn)不會(huì)穿透(penetrate)主面,但是主面節(jié)點(diǎn)可以穿透從面。面對(duì)面離散方法會(huì)為整個(gè)從面(而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn))建立接觸條件,在接觸分析過程中同時(shí)考慮主面和從面的形狀變化?？赡茉谀承┕?jié)點(diǎn)上出現(xiàn)穿透現(xiàn)象,但是穿透的程度不會(huì)很嚴(yán)重。

在如圖l和圖2所示的實(shí)例中,比較了兩種情況。

a)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細(xì):沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形

b)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:從面節(jié)點(diǎn)沒有進(jìn)入主面,但主面節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了從面,

穿透現(xiàn)象和嚴(yán)重,從面和主面的變形都不正常

a)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細(xì):沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形

b)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:從面節(jié)點(diǎn)沒有進(jìn)入主面,但有少量主面節(jié)點(diǎn)進(jìn)

入了從面,出現(xiàn)了輕微的穿透現(xiàn)象,從面和主面的變形比較正常

1)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格細(xì):點(diǎn)對(duì)面離散(圖1a)和面對(duì)面離散(圖2)的分析結(jié)果都很好,沒有發(fā)生穿透,從面和主面都發(fā)生了正常的變形。

2)從面網(wǎng)格比主面網(wǎng)格粗:點(diǎn)對(duì)面離散(圖1b)的分析結(jié)果很差,主面節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了從面,穿透現(xiàn)象很嚴(yán)重,從面和主面的變形都不正常;面對(duì)面離散(圖2b)的分析結(jié)果相對(duì)較好,盡管有輕微的穿透現(xiàn)象,從面和主面的變形仍比較正常。

從上面可以看出,在為接觸面劃分網(wǎng)格時(shí)需要慎重,無論使用點(diǎn)對(duì)面離散還是面對(duì)面離散,都應(yīng)盡量保證從面網(wǎng)格不能比主面網(wǎng)格粗。

選用離散方法時(shí),還應(yīng)考慮以下因素。

1)一般情況下,面對(duì)面離散得到的應(yīng)力和壓強(qiáng)的結(jié)果精度要高于點(diǎn)對(duì)面離散。

2)面對(duì)面離散需要分析整個(gè)接觸面上的接觸行為,其計(jì)算代價(jià)要高于點(diǎn)對(duì)面離散。一般情況下,二者的計(jì)算代價(jià)相差不是很懸殊,但在以下情況中,面對(duì)面離散的計(jì)算代價(jià)將會(huì)大很多:

① 模型中的大部分區(qū)域都涉及到接觸問題。

② 主面的網(wǎng)格比從面的網(wǎng)格細(xì)化很多。

③ 接觸對(duì)中包含了多層殼,一個(gè)接觸對(duì)中的主面是另一接觸對(duì)中的從面。

3)如果從面是基于節(jié)點(diǎn)的(即從面類型為Node Region,而不是Surface),則不能使用面對(duì)面離散化方法。

1. 有限滑動(dòng)和小滑動(dòng)

在ABAQU S/Standard分析中定義接觸時(shí),有兩種判斷接觸狀態(tài)的跟蹤方法可供選擇:

1)有限滑動(dòng)。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)量較大(例如,大于接觸面上的單元尺寸),就應(yīng)該選擇有限滑動(dòng),它允許接觸面之間出現(xiàn)任意大小的相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。在分析過程中,ABAQUS將會(huì)不斷地判斷各個(gè)從面節(jié)點(diǎn)與主面的哪一部分發(fā)生了接觸,因此計(jì)算成本較高。

在使用有限滑動(dòng)、點(diǎn)對(duì)面離散時(shí),應(yīng)盡量保證主面是光滑的,否則主面的法線方向會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的變化,容易出現(xiàn)收斂問題。在主面的拐角處應(yīng)使用過渡圓弧,并在圓弧上劃分足夠數(shù)量的單元。

在使用點(diǎn)對(duì)面離散時(shí),如果主面是變形體或離散剛體的表面,ABAQUS/Standard會(huì)自動(dòng)對(duì)不光滑的主面做平滑(Smoothing)處理,默認(rèn)的平滑系數(shù)為0.2。面對(duì)面離散則沒有這種平滑功能,因此如果工程實(shí)際要求主面必須有尖角,使用點(diǎn)對(duì)面離散可能會(huì)比面對(duì)面離散更容易收斂。

2)小滑動(dòng)。如果兩個(gè)接觸面之間的相對(duì)滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)量很小(例如,小于接觸面上單元尺寸的20%),就可以選擇小滑動(dòng)。在分析開始時(shí)刻,ABAQUS就確定了各個(gè)從面節(jié)點(diǎn)與主面是否接觸、與主面的哪個(gè)區(qū)域接觸,并在整個(gè)分析過程中保持這些關(guān)系不變,因此計(jì)算成本較低。

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