搜索ANSYS應(yīng)用大講堂---影響非線性收斂穩(wěn)定性及其速度的因素
2017-03-27 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
影響非線性收斂穩(wěn)定性及其速度的因素很多:
1、模型――主要是結(jié)構(gòu)剛度的大小。對(duì)于某些結(jié)構(gòu),從概念的角度看,可以認(rèn)為它是幾何不變的穩(wěn)定體系。但如果結(jié)構(gòu)相近的幾個(gè)主要構(gòu)件剛度相差懸殊,在數(shù)值計(jì)算中就可能導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的較大誤差,嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的幾何可變性――忽略小剛度構(gòu)件的剛度貢獻(xiàn)。如出現(xiàn)上述的結(jié)構(gòu),要分析它,就得降低剛度很大的構(gòu)件單元的剛度,可以加細(xì)網(wǎng)格劃分,或著改用高階單元(BEAM->SHELL,SHELL->SOLID)。構(gòu)件的連接形式(剛接或鉸接)等也可能影響到結(jié)構(gòu)的剛度。
2、線性算法(求解器)。ANSYS中的非線性算法主要有:稀疏矩陣法(SPARSE DIRECT SOLVER)、預(yù)共軛梯度法(PCG SOLVER)和波前法(FRONT DIRECT SLOVER)。稀疏矩陣法是性能很強(qiáng)大的算法,一般默認(rèn)即為稀疏矩陣法(除了子結(jié)構(gòu)計(jì)算默認(rèn)波前法外)。預(yù)共軛梯度法對(duì)于3-D實(shí)體結(jié)構(gòu)而言是最優(yōu)的算法,但當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度呈現(xiàn)病態(tài)時(shí),迭代不易收斂。為此推薦以下算法:
1)、BEAM單元結(jié)構(gòu),SHELL單元結(jié)構(gòu),或以此為主的含3-D SOLID的結(jié)構(gòu),用稀疏矩陣法;
2)、3-D SOLID的結(jié)構(gòu),用預(yù)共軛梯度法;
3)、當(dāng)你的結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)病態(tài)時(shí),用稀疏矩陣法;
4)、當(dāng)你不知道用什么時(shí),可用稀疏矩陣法。
3、非線性逼近技術(shù)。在ANSYS里還是牛頓-拉普森法和弧長(zhǎng)法。牛頓-拉普森法是常用的方法,收斂速度較快,但也和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和步長(zhǎng)有關(guān)?；￠L(zhǎng)法常被某些人推崇備至,它能算出力加載和位移加載下的響應(yīng)峰值和下降響應(yīng)曲線。但也發(fā)現(xiàn):在峰值點(diǎn),弧長(zhǎng)法仍可能失效,甚至在非線性計(jì)算的線性階段,它也可能會(huì)無法收斂。
為此,盡量不要從開始即激活弧長(zhǎng)法,還是讓程序自己激活為好(否則出現(xiàn)莫名其妙的問題)。子步(時(shí)間步)的步長(zhǎng)還是應(yīng)適當(dāng),自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)也是很有必要的。
4、加快計(jì)算速度
在大規(guī)模結(jié)構(gòu)計(jì)算中,計(jì)算速度是一個(gè)非常重要的問題。下面就如何提高計(jì)算速度作一些建議:
充分利用ANSYS MAP分網(wǎng)和SWEEP分網(wǎng)技術(shù),盡可能獲得六面體網(wǎng)格,這一方面減小解題規(guī)模,另一方面提高計(jì)算精度。
在生成四面體網(wǎng)格時(shí),用四面體單元而不要用退化的四面體單元。比如95號(hào)單元有20節(jié)點(diǎn),可以退化為10節(jié)點(diǎn)四面體單元,而92號(hào)單元為10節(jié)點(diǎn)單元,在此情況下用92號(hào)單元將優(yōu)于95號(hào)單元。
選擇正確的求解器。對(duì)大規(guī)模問題,建議采用PCG法。此法比波前法計(jì)算速度要快10倍以上(前提是您的計(jì)算機(jī)內(nèi)存較大)。對(duì)于工程問題,可將ANSYS缺省的求解精度從1E-8改為1E-4或1E-5即可。
波前法,PCG法都是方程組求解方法的一種。
方程組解法:
(1)直接解法:a.稀疏矩陣法;b.波前解法
a.稀疏矩陣法:占內(nèi)存大,但運(yùn)算次數(shù)少;通過變換剛度矩陣的順序使得非零元素最少
b.波前解法:波前法的特點(diǎn)是:剛度矩陣K和載荷列陣P不按自然編號(hào)進(jìn)入內(nèi)存而按計(jì)算時(shí)參加運(yùn)算的順序排列;在內(nèi)存中只保留盡可能少的一部分K和P的元素。
(2)迭代解法(JCG法;PCG法;ICCG法)
JCG法:可解實(shí)數(shù)、對(duì)稱、非對(duì)稱矩陣
PCG法:高效求解各種矩陣(包括病態(tài)),但僅解實(shí)、對(duì)稱矩陣
ICCG法:類似JCG,但更強(qiáng)
對(duì)大規(guī)模問題,建議采用PCG法。此法比波前法計(jì)算速度要快10倍以上(前提是您的計(jì)算機(jī)內(nèi)存較大)。
5、荷載步的設(shè)置直接影響到收斂。應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):
(1)、設(shè)置足夠大的荷載步(將MAXMIUM SUBSTEP=1000000),可以更容易收斂,避免發(fā)散的出現(xiàn)(nsub,nsbstp,nsbmx,nsbmn);
(2)、設(shè)置足夠大的平衡迭代步數(shù),默認(rèn)為25,可以放大到很大(100)(eqit,eqit);
(3)、將收斂準(zhǔn)則調(diào)整,以位移控制時(shí)調(diào)整為0.05,以力控制為0.01(CNVTOL,lab,value,toler,norm,minref)。
(4)、對(duì)于線性單元和無中間節(jié)點(diǎn)的單元(SOLID65和SOLID45),關(guān)閉EXTRA DISPLACEMENTS OPTIONS(在OPTIONS中)。
(5)、對(duì)于CONCRETE材料,可以關(guān)閉壓碎功能,將CONCRETE中的單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)置為-1(tadata,mat,shrcf-op,shrcf-cl,UntensSt,UnCompSt(-1))。
載荷步的設(shè)置對(duì)非線性問題求解非常重要,具體怎么設(shè),需要摸索和經(jīng)驗(yàn)。
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