第九篇：彈塑性分析不收斂時的解決方法

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

在使用ABAQUS/Standard進行彈塑性分析時遇到不收斂問題,應如何解決?

《實例詳解》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需要注意的問題,下面再詳細討論碰到不收斂問題時的主要解決方法:

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誤的重要參考。

2)當彈塑性分析無法收斂時,首先應該想到的就是,去掉塑性材料參數(shù),先做最簡單的線彈性分析。如果這時分析同樣無法收斂,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誤,例如,違背了接觸分析應遵守的基本原則。

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,當出現(xiàn)收斂問題時,最重要的解決方法就是簡化模型,去掉所有復雜的、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?shù)倪吔鐥l件來固定各個部件實體。

③如果模型中有多個部件,就只保留一個單獨的部件。

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

上述查找錯誤的方法需要多次提交分析,反復嘗試。如果部件的形狀非常復雜,或模型的規(guī)模非常大,則每次提交都要花費大量的計算時間。此時,應該先做一個幾何形狀最簡單的模型,適當減少單元數(shù)量,或者使用平面應力、平面應變或軸對稱等二維模型,嘗試茂功后,再返回到真實模型中進行分析。

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,必須在模型每個實體的所有平動和轉(zhuǎn)動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建立模型對應盡量利用對稱性,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,縮短計算時間。

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和轉(zhuǎn)動,應該首先利

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

4)如果模型在分析過程中會出現(xiàn)較大的位移,應該在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,應注意第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變大于模型中可能出現(xiàn)的最大塑性應變值,并保證應力-應變曲線始終是向上傾斜的,即應該使用硬化模型,而不是理想彈塑性模型。

②真實應力的值應該是遞增的,不要包含出現(xiàn)頸縮后的數(shù)據(jù)點。

③不要輸入過多的數(shù)據(jù)對,應該只在材料試驗數(shù)據(jù)中選取幾十個有代表性的數(shù)據(jù)點,構(gòu)成一條平滑的應力-應變曲線。

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

如果上述單位不一致,造成模型中的載荷遠遠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)即使模型中各個量的單位是正確的,同樣應該注意載荷的大小要符合工程實際,避免讓模型出現(xiàn)過大的超出實際的變形。

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

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

9)只有對于重要的、塑性應變較大的區(qū)域,才需要將其定義為彈塑性材料。如果某個部件或部件上的某個區(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”),以便縮短計算時間,降低收斂難度。

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

如果某個部件的剛度遠遠大于其他部件,幾乎不會發(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、厚度大而非常堅實,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,應注意第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)生嚴重扭曲。

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

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。例如,圖17-11是一個模擬擠壓金屬坯料的模型,坯料應該在壓力作用下,向下運動穿過模具。比較以F兩種情況:

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,材料的流動受到極大的阻力,增大壓力載荷只會增大模具的支反力,并不會促使坯料向下運動。如果按照圖17-11a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,因為這樣的材料流動在工程實際中就是不可能的。

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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