搜索【干貨】ABAQUS隱式分析不收斂該怎么辦？
2017-12-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
ABAQUS提供式和隱式兩種求解類型,其中顯式計算方法是“有條件收斂的”,只需滿足增量步小于限值,大多數情況均能順利計算完成;而隱式計算方法,在非線性情況下極易出現不收斂的情況,比如:欠約束、接觸、材料塑性或失效、斷裂、屈曲失穩等,都可能導致多次迭代不收斂,增量步大小一降再降,直到滿足終止條件而退出計算。作為老司機,使用了這么多年的軟件總有點心得吧,總結了五條經驗,分享給大家:
了解ABAQUS的任務提交流程,也就是讓我們學會找錯!當我們點擊Submit后會有兩個處理階段:1)預處理;2)任務計算。
結合ABAQUS Job Monitor窗口進行講解,兩個階段的分界點位于Data File子頁面的內容是否完成;也就是說,當出現Error,而Message File和Status File未激活(生成)時,表明還處于預處理階段,我們定義的模型一開始就存在問題,Errors子頁面都會一一列出,通常會有:信息不完整、材料參數不符合本構模型、特殊定義之間沖突、關鍵字輸入問題等,我們只需逐個修改即可。
當順利進入任務計算階段后,窗口上方的表格將實時更新為Status File(jobName.sta)中的內容,提示計算的進度,當后續再出現Error時,才可能是由于計算不收斂導致的錯誤。
模型收斂是什么?很多初學者估計都不太清楚,從而提出一些奇奇怪怪的問題,比如:“我用彈性材料可以計算,換成復雜材料模型就計算不了,為什么?”。所以了解有限元基本原理是非常必要的,而要了解ABAQUS的求解機制,就需要看幫助文檔,個人認為:幫助文檔分析手冊第七章(Analysis Solution and Control)的內容,是進階的必修內容,然而前市面上除了王鷹宇先生的譯本,并沒有書籍進行過歸納和總結,還是感覺挺遺憾的。
求解的總體思路就是:整個任務分為多個階段(Steps);每個階段分為若干個增量步(Increments);一個增量步進行若干迭代(Iterations),上圖為二次迭代過程,而這個過程中cb=ub-ua需要小于一定限值,通過類似的多次迭代,外力P與內力I之間容差R小于給定限值,從而認為增量步達到收斂要求。
這些限制條件都有默認值,大多數情況下我們不需要進行修改,但對于一些特殊或難收斂的情況,可以適當進行調整:Step模塊下->Other菜單->General Solution Controls的Field Equations子頁面進行設置,不同的場量計算均有自己的一套場控制參數。
除了迭代步的限制控制,還會有增量步大小控制,其中一些在定義分析步時進行設置;更多的則位于General Solution Controls窗口中的Time Incrementation子頁面,其中I0和IR為迭代步次數限制,用于控制增量步變大或縮小;IA則為允許出現不收斂迭代的次數,對應Monitor窗口中的IU至5U,對于大多數非線性情況,5次是遠遠不夠的,需要增大。
三、不收斂的原因的排查過程
進入任務計算階段后:
1)如果最開始就出現1U至5U的不收斂問題,可能有以下原因:邊界條件約束不足(欠約束)、重復導入部件(導致欠約束)、初始荷載過大、初始應力導致的材料塑性(Geostatic分析步)、單位制未統一(間接導致剛度過小和荷載過大)等;
2)如果是隨著計算到中期或后期才出現不收斂情況,就需要根據已有的計算結果和模型情況進行判斷,不收斂原因主要有:材料軟化、失效、屈曲、接觸非線性、溫度(或其它場量)的驟變等;
3)隨著加載的進行,出現畸變單元而導致終止,這個一般不是收斂問題,而是無法計算單元剛度矩陣從而無法組裝整體剛度矩陣。通常需要網格重劃分獲得更好的網格質量、調整網格類型或采用其他大變形計算方法(ALE、CEL、SPH等)進行控制。
排除由于模型設置問題導致的不收斂情況后,可以通過以下設置增加收斂性:
1)增量步控制:增大允許的最大增量步數量、減小允許的最小增量步大小、增加允許的不收斂增量步數量IA(參考第二部分內容);
2)如果是由于材料軟化、失效導致的不收斂問題,可以嘗試改善網格質量、修改單元類型,如果還是不行,則在材料模型、單元類型或分析步中增加阻尼,阻尼設置看第五部分內容;
3)如果是接觸導致的不收斂,可以修改接觸類型、調整接觸參數,如果還不行則增加接觸阻尼;
4)上面三種調整后均無法收斂,則更換分析類型,采用Standard動力學或Explicit分析類型等。
說阻尼是萬能的,是因為它可以極大改善模型的收斂性,實現復雜非線性問題的收斂;說阻尼是萬惡的,因為它可以掩蓋一些模型錯誤,從而提供失真甚至不合理的結果,因此大家不能過分依賴它!
切記第四部分的不收斂處理流程,首先排查模型的自身問題,最后才引入阻尼。
阻尼的添加方式主要有四種:
①材料阻尼或自穩定系數,CDP模型中就有viscosity;部分損傷材料提供Stablization Cohesive系數;動力分析中可以定義Damping,但是對于靜力分析,材料Damping定義是無作用的;
②單元自穩定系數,不是所有單元都有的,其中Cohesive單元經常會定義上;
③自動穩定設置,類似全局阻尼,可以避免由于塑性絞/帶、屈曲或失穩導致的不收斂問題;
④接觸阻尼或自穩定系數,接觸屬性中可以定義阻尼;接觸控制中定義阻尼自穩定系數,不太常用,位于Interaction模塊->Contact Controls(接觸對)或Contact Stabilization(通用接觸),如果沒有接觸問題就不用定義。
講了這么多,最后還是那句話:“紙上得來終覺淺”,需要大家在今后的練習過程中多多摸索、練習,只有實操后所萃取的精華才是最好的。希望這些經驗總結能為給大家填坑搭橋,節約些許調試時間。
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