【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(lián)網(wǎng)

ABAQUS提供式和隱式兩種求解類型,其中顯式計(jì)算方法是“有條件收斂的”,只需滿足增量步小于限值,大多數(shù)情況均能順利計(jì)算完成;而隱式計(jì)算方法,在非線性情況下極易出現(xiàn)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(wěn)等,都可能導(dǎo)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(jì)算。作為老司機(jī),使用了這么多年的軟件總有點(diǎn)心得吧,總結(jié)了五條經(jīng)驗(yàn),分享給大家:

一、ABAQUS的任務(wù)提交流程

了解ABAQUS的任務(wù)提交流程,也就是讓我們學(xué)會(huì)找錯(cuò)!當(dāng)我們點(diǎn)擊Submit后會(huì)有兩個(gè)處理階段:1)預(yù)處理;2)任務(wù)計(jì)算。

結(jié)合ABAQUS Job Monitor窗口進(jìn)行講解,兩個(gè)階段的分界點(diǎn)位于Data File子頁面的內(nèi)容是否完成;也就是說,當(dāng)出現(xiàn)Error,而Message File和Status File未激活(生成)時(shí),表明還處于預(yù)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(huì)一一列出,通常會(huì)有:信息不完整、材料參數(shù)不符合本構(gòu)模型、特殊定義之間沖突、關(guān)鍵字輸入問題等,我們只需逐個(gè)修改即可。

當(dāng)順利進(jìn)入任務(wù)計(jì)算階段后,窗口上方的表格將實(shí)時(shí)更新為Status File(jobName.sta)中的內(nèi)容,提示計(jì)算的進(jìn)度,當(dāng)后續(xù)再出現(xiàn)Error時(shí),才可能是由于計(jì)算不收斂導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

二、收斂的基本條件

模型收斂是什么?很多初學(xué)者估計(jì)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(jì)算,換成復(fù)雜材料模型就計(jì)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(jī)制,就需要看幫助文檔,個(gè)人認(rèn)為:幫助文檔分析手冊(cè)第七章(Analysis Solution and Control)的內(nèi)容,是進(jìn)階的必修內(nèi)容,然而前市面上除了王鷹宇先生的譯本,并沒有書籍進(jìn)行過歸納和總結(jié),還是感覺挺遺憾的。

求解的總體思路就是:整個(gè)任務(wù)分為多個(gè)階段(Steps);每個(gè)階段分為若干個(gè)增量步(Increments);一個(gè)增量步進(jìn)行若干迭代(Iterations),上圖為二次迭代過程,而這個(gè)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(nèi)力I之間容差R小于給定限值,從而認(rèn)為增量步達(dá)到收斂要求。

這些限制條件都有默認(rèn)值,大多數(shù)情況下我們不需要進(jìn)行修改,但對(duì)于一些特殊或難收斂的情況,可以適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整:Step模塊下->Other菜單->General Solution Controls的Field Equations子頁面進(jìn)行設(shè)置,不同的場(chǎng)量計(jì)算均有自己的一套場(chǎng)控制參數(shù)。

除了迭代步的限制控制,還會(huì)有增量步大小控制,其中一些在定義分析步時(shí)進(jìn)行設(shè)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(shù)限制,用于控制增量步變大或縮小;IA則為允許出現(xiàn)不收斂迭代的次數(shù),對(duì)應(yīng)Monitor窗口中的IU至5U,對(duì)于大多數(shù)非線性情況,5次是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要增大。

三、不收斂的原因的排查過程

進(jìn)入任務(wù)計(jì)算階段后:

1)如果最開始就出現(xiàn)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(fù)導(dǎo)入部件(導(dǎo)致欠約束)、初始荷載過大、初始應(yīng)力導(dǎo)致的材料塑性(Geostatic分析步)、單位制未統(tǒng)一(間接導(dǎo)致剛度過小和荷載過大)等;

2)如果是隨著計(jì)算到中期或后期才出現(xiàn)不收斂情況,就需要根據(jù)已有的計(jì)算結(jié)果和模型情況進(jìn)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(chǎng)量)的驟變等;

3)隨著加載的進(jìn)行,出現(xiàn)畸變單元而導(dǎo)致終止,這個(gè)一般不是收斂問題,而是無法計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃噺亩鵁o法組裝整體剛度矩陣。通常需要網(wǎng)格重劃分獲得更好的網(wǎng)格質(zhì)量、調(diào)整網(wǎng)格類型或采用其他大變形計(jì)算方法(ALE、CEL、SPH等)進(jìn)行控制。

四、模型收斂控制的常用方法

排除由于模型設(shè)置問題導(dǎo)致的不收斂情況后,可以通過以下設(shè)置增加收斂性:

1)增量步控制:增大允許的最大增量步數(shù)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(shù)量IA(參考第二部分內(nèi)容);

2)如果是由于材料軟化、失效導(dǎo)致的不收斂問題,可以嘗試改善網(wǎng)格質(zhì)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(shè)置看第五部分內(nèi)容;

3)如果是接觸導(dǎo)致的不收斂,可以修改接觸類型、調(diào)整接觸參數(shù),如果還不行則增加接觸阻尼;

4)上面三種調(diào)整后均無法收斂,則更換分析類型,采用Standard動(dòng)力學(xué)或Explicit分析類型等。

五、萬能和萬惡的阻尼

說阻尼是萬能的,是因?yàn)樗梢詷O大改善模型的收斂性,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線性問題的收斂;說阻尼是萬惡的,因?yàn)樗梢匝谏w一些模型錯(cuò)誤,從而提供失真甚至不合理的結(jié)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(wěn)定系數(shù),CDP模型中就有viscosity;部分損傷材料提供Stablization Cohesive系數(shù);動(dòng)力分析中可以定義Damping,但是對(duì)于靜力分析,材料Damping定義是無作用的;

②單元自穩(wěn)定系數(shù),不是所有單元都有的,其中Cohesive單元經(jīng)常會(huì)定義上;

③自動(dòng)穩(wěn)定設(shè)置,類似全局阻尼,可以避免由于塑性絞/帶、屈曲或失穩(wěn)導(dǎo)致的不收斂問題;

④接觸阻尼或自穩(wěn)定系數(shù),接觸屬性中可以定義阻尼;接觸控制中定義阻尼自穩(wěn)定系數(shù),不太常用,位于Interaction模塊->Contact Controls(接觸對(duì))或Contact Stabilization(通用接觸),如果沒有接觸問題就不用定義。