第九篇：彈塑性分析不收斂時(shí)的解決方法

2017-03-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在使用ABAQUS/Standard進(jìn)行彈塑性分析時(shí)遇到不收斂問題,應(yīng)如何解決?

《實(shí)例詳解》第6.1.3節(jié)“解決彈塑性分析中的收斂問題”介紹了解決彈塑性分析不收斂問題的主要方法,本章前面幾節(jié)也多處提到了建立彈塑性分析模型時(shí)需要注意的問題,下面再詳細(xì)討論碰到不收斂問題時(shí)的主要解決方法:

1)無論是哪種類型的ABAQUS/Standard分析,如果分析根本無法開始,一定要查看DAT文件中是否有錯(cuò)誤信息(error);如果分析可以開始,但無法收斂,一定要查看MSC文件中的警告信息( warning)。這些信息是指引用戶找出模型錯(cuò)誤的重要參考。

2)當(dāng)彈塑性分析無法收斂時(shí),首先應(yīng)該想到的就是,去掉塑性材料參數(shù),先做最簡(jiǎn)單的線彈性分析。如果這時(shí)分析同樣無法收斂,就說明不是塑性方面的問題,而是模型中存在其他方面的錯(cuò)誤,例如,違背了接觸分析應(yīng)遵守的基本原則。

不收斂有多種可能的原因,在很多情況下真正的錯(cuò)誤原因并不是讀者所想象的那樣。無論是彈塑性分析還是其他任何類型的分析,當(dāng)出現(xiàn)收斂問題時(shí),最重要的解決方法就是簡(jiǎn)化模型,去掉所有復(fù)雜的、自己不熟悉的模型參數(shù)。例如:

①如果使用了混凝土和橡膠等復(fù)雜材料,就先把它們改為普通的線彈性材料。

②如果定義了接觸,就先去掉所有接觸,添加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來固定各個(gè)部件實(shí)體。

③如果模型中有多個(gè)部件,就只保留一個(gè)單獨(dú)的部件。

這樣一直簡(jiǎn)化下去,直到模型能夠收斂為止,然后現(xiàn)逐步把簡(jiǎn)化掉的模型參數(shù)恢復(fù)回來。如果發(fā)瑞在恢復(fù)某種參數(shù)時(shí)模型變得無法收斂,就很可能是這個(gè)參數(shù)存在問題。

上述查找錯(cuò)誤的方法需要多次提交分析,反復(fù)嘗試。如果部件的形狀非常復(fù)雜,或模型的規(guī)模非常大,則每次提交都要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。此時(shí),應(yīng)該先做一個(gè)幾何形狀最簡(jiǎn)單的模型,適當(dāng)減少單元數(shù)量,或者使用平面應(yīng)力、平面應(yīng)變或軸對(duì)稱等二維模型,嘗試茂功后,再返回到真實(shí)模型中進(jìn)行分析。

3)本書第16.2節(jié)“ABAQUS/Standard接觸分析中的警告信息”介紹了接觸分析中常見的多種警告信息和相應(yīng)的處理方法,其中的大多數(shù)內(nèi)容同樣適用于彈塑性分析,例如:

①在建立靜力分析模型時(shí),必須在模型每個(gè)實(shí)體的所有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上定義足夠的邊界條件,以避免它們出現(xiàn)不確定的剛體位移。否則,就會(huì)在MSG文件中出現(xiàn)數(shù)值奇異(numerical singularity)或零主元(zero pivot)的警告信息。

②建立模型對(duì)應(yīng)盡量利用對(duì)稱性,只取1/2、1/4甚至是1/8模型建模,以避免出現(xiàn)不確定的剛體位移,使整個(gè)模型的支承情況變得更加穩(wěn)固,降低收斂的難度,減小模型的規(guī)模,縮短計(jì)算時(shí)間。

③如果能夠?qū)δＰ椭付ㄎ灰浦?就不要施加力載荷,這樣可以大大降低收斂的難度。

④如果需要施加力載荷,或者需要依靠摩擦來約束剛體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),應(yīng)該首先利

用位移邊界條件讓接觸關(guān)系平穩(wěn)地建Ⅱ起來,然后在下一個(gè)分析步中再施加力載荷。

4)如果模型在分析過程中會(huì)出現(xiàn)較大的位移,應(yīng)該在Step功能模塊中打開幾何非線性開關(guān)(將Nlgeom設(shè)為ON)。

5)在輸人塑性材料數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)注意第17.2節(jié)“定義塑性材料參數(shù)”談到的問題,包括:

①要讓塑性數(shù)據(jù)最后一行中的塑性應(yīng)變大于模型中可能出現(xiàn)的最大塑性應(yīng)變值,并保證應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終是向上傾斜的,即應(yīng)該使用硬化模型,而不是理想彈塑性模型。

②真實(shí)應(yīng)力的值應(yīng)該是遞增的,不要包含出現(xiàn)頸縮后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

③不要輸入過多的數(shù)據(jù)對(duì),應(yīng)該只在材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取幾十個(gè)有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn),構(gòu)成一條平滑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

6)各個(gè)量的單位要保持一致,如果長(zhǎng)度的單位是mm,則彈性模量和塑性參數(shù)中應(yīng)力的單位都應(yīng)該是MPa(即N/mm2),密度的單位應(yīng)該是t/mm3.力的單位應(yīng)該是N;如果長(zhǎng)度的單位是m,則彈性模量和應(yīng)力的單位都應(yīng)該是Pa(即N/m2),密度的單位應(yīng)該是kg/m3,力的單位應(yīng)該是N,這樣做的原因詳見本書第1 .1. 2節(jié)“選取各個(gè)量的單位”。

如果上述單位不一致,造成模型中的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模型所能承受的載荷,模型的變形過大,分析自然就無法收斂。

7)即使模型中各個(gè)量的單位是正確的,同樣應(yīng)該注意載荷的大小要符合工程實(shí)際,避免讓模型出現(xiàn)過大的超出實(shí)際的變形。

8)如果載荷會(huì)造成很大的局部應(yīng)變(使用點(diǎn)載荷時(shí)尤其容易出現(xiàn)此問題),就可能造成收斂問題。因此,盡量不要對(duì)塑性材料施加點(diǎn)載荷,而是根據(jù)實(shí)際情況使用面載荷或線載荷。

如果必須在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加點(diǎn)載荷,可以使用耦合約束(coupling constraint)為載荷作用點(diǎn)附近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)建立剮性連接,讓這些節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)點(diǎn)載荷,具體方法請(qǐng)參見本書第8.2.1節(jié)“集中載荷和彎矩載荷”。

9)只有對(duì)于重要的、塑性應(yīng)變較大的區(qū)域,才需要將其定義為彈塑性材料。如果某個(gè)部件或部件上的某個(gè)區(qū)域幾乎不發(fā)生塑性變形,或者僅僅在很小的局部上發(fā)生塑性變形,而此區(qū)域并不是所關(guān)心的重要區(qū)域,就可以將其設(shè)置為線彈性材料(具體方法見本書第4.3節(jié)“材料屬性”),以便縮短計(jì)算時(shí)間,降低收斂難度。

例如,接觸面的邊緣處邊界條件奇異時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)很大的接觸應(yīng)力,相應(yīng)位置的單元容易出現(xiàn)較大的塑性變形,如果此區(qū)域遠(yuǎn)離所關(guān)心的重要區(qū)域,就可以將其設(shè)置為線彈性材料。

如果某個(gè)部件的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部件,幾乎不會(huì)發(fā)生變形,就可以將其設(shè)為剛體。剛度大的原因可以是彈性模量大,或由于尺寸大、厚度大而非常堅(jiān)實(shí),常見的例子是金屬成形加工中的模具、夾具、沖頭、底座和刀具等。

10)在劃分網(wǎng)格和選擇單元類型時(shí),應(yīng)注意第17.3節(jié)“彈塑性分析的網(wǎng)格和單元”中討論過的問題,包括:

①在變形前和變形后,單元的形狀都要保持規(guī)則,不要發(fā)生嚴(yán)重扭曲。

②大變形區(qū)域的網(wǎng)格密度要適當(dāng),過粗或過細(xì)的網(wǎng)格都可能導(dǎo)致收斂問題。

③在彈塑性分析中盡量不要使用二次六面休單元(C3D20或C3 D20R),以避免出現(xiàn)體積自鎖現(xiàn)象。建議使用非協(xié)調(diào)單元(C3D81).一歡減縮積分單元(C3D8R)和修正的二次四面體單元( C3D10M)進(jìn)行分析。

11)在有些情況下,不收斂的原因并不足建模方法不正確,而是模型本身的尺寸形狀不合理,材料無法流動(dòng)。例如,圖17-11是一個(gè)模擬擠壓金屬坯料的模型,坯料應(yīng)該在壓力作用下,向下運(yùn)動(dòng)穿過模具。比較以F兩種情況:

第九篇：彈塑性分析不收斂時(shí)的解決方法abaqus靜態(tài)分析圖片1

在圖17-11a中,模具斜坡處的傾角很小,而且轉(zhuǎn)折處沒有過渡圓弧,材料的流動(dòng)受到極大的阻力,增大壓力載荷只會(huì)增大模具的支反力,并不會(huì)促使坯料向下運(yùn)動(dòng)。如果按照?qǐng)D17-11a建模,無論如何改善網(wǎng)格密度、接觸定義或塑性材料參數(shù),分析都不可能收斂,因?yàn)檫@樣的材料流動(dòng)在工程實(shí)際中就是不可能的。

在圖17-11b中,增大了模具斜坡處的傾角,在轉(zhuǎn)折處增加了過渡圓弧,材料流動(dòng)的阻力大大減小,如果建模參數(shù)合理,就可以收斂。(本文章轉(zhuǎn)載自石亦平老師書籍))

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