Abaqus-原来显式计算也可以这么快

        

    本文详细介绍了 Abaqus/explicit 中的准静态分析及其提高求解速度的方法。

我如何知道我的模拟是否是准静态的？

        准静态问题是通常可以使用 Abaqus/Standard 解决的问题之一，但由于触或材料的复杂性，可能难以收敛，从而导致大量迭代。具有挑战性的非线性准静态问题通常涉及：

1. 接触条件非常复杂，Abaqus/Standard 可能会因接触问题而无法收敛；

2. 非常大的变形可能导致严重的网格变形；

例如，通常在金属成形分析中，我们面临这样的困难：用 Abaqus/Standard 来模拟这样的问题确实很困难。

示例：模拟拉深过程中的撕裂

Abaqus/Explicit显式准静态分析问题

Abaqus/Explicit 对于高度非线性静态（准静态分析）问题的建模更加有效。对于涉及接触和金属成型等非常大变形的三维问题尤其如此。

应用 Abaqus/Explicit 模拟准静态事件需要特别考虑。在自然时间段内对过程进行建模在计算上是不切实际的。从字面上看，需要数百万次的时间增量。因此，我们在模拟中人为地提高加载过程的速度以获得经济的解决方案。

使用 Abaqus/Explicit 获得经济的准静态分析解决方案的两种方法是：

1、人为提高加载速率

我们可以通过提高加载率来人为地减少该过程的时间尺度。增加的加载速率会减少模拟的时间。将加载速率提高 f 倍，分析速度提高 f 倍。

2、采用质量缩放

它增加了稳定时间增量的大小，因此完成作业所需的增量更少。人为地将材料密度（质量缩放）增加 f*f  倍，可以将分析速度提高 f 倍。

在本文中，我们的重点是提高加载速率的方法。

        为了减少 Abaqus/Explicit 分析中所需的增量数量，我们可以比实际过程的时间加快模拟速度，也就是说，我们可以人为地缩短事件的时间周期，或者同等地提高事件发生的速率。正在加载。这会引入可能的错误。如果加载速率增加太多，增加的惯性力将改变预测的响应。在极端情况下，问题将表现出波传播响应。避免此错误的唯一方法是选择不太大的加载速率。

如何判断加载速率是否合适？

以不同的加载速率运行多个模拟：

        按照从最快加载速率到最慢加载速率的顺序运行一系列模拟。如您所知，加载速率越慢，分析时间就越长。检查结果（变形的形状、应力、应变和能量），以了解在更改 Abaqus 载荷率时改变模型的影响。金属板材成型过程中刀具速度过高往往会导致不切实际的局部拉伸；成型模拟中工具速度过高会导致喷射（流体动力型响应）；过高的加载速率会导致施加负载附近的高度局部变形；由于初始变形的（非结构性）阻力增加，准静态倒塌分析中的过高加载速率可能会导致载荷。

使用固有频率检查加载速率：准静态分析的主要响应将是第一结构模式。因此，我们使用该模式的频率来估计合适的 Abaqus 加载速率。

1、估计模型的第一固有频率 (f)。在简单模型中，我们可以通过可用的分析关系找到该频率。对于更复杂的模型，首先在 Abaqus 中运行频率分析。

2、使用模型的第一固有频率计算相应的时间段 (T)：T=1/f

3、运行显式分析（步长时间 = T）并估计在此时间 (T) 期间模型冲击方向的全局偏转 (D)。

4、计算冲击速度（V）：V=D/T 

5、一般建议是将冲击速度限制在材料波速的 1% 以下。金属中的典型波速为 5000 。

示例（门梁入侵测试）

为了说明确定适当加载速率的问题，请考虑车门中侧防盗梁的变形。实际测试是准静态的。

我们将测试建模为圆形梁（长度为 l、直径为 d、厚度为 t）固定在两端，刚性圆柱体（直径为 D）使梁变形。

在这里，我们检查圆柱体的 20 m/s 和 400 m/s 速度，看看哪一个可以适用于我们的问题。

1、第一模态的频率约为250 Hz：f=250

2、该速率对应于 4 毫秒的周期：T=1/250=0.004 s

3、使用 20 m/sec 的速度，分析显示圆柱体将在 4 ms内被推入梁 0.1 

4、冲击速度为：V=D/T= 0.08/0.004= 20 m/s

5、回想一下，金属中的波速约为 5000 m/sec，因此 25 m/sec 的冲击速度约为波速的 0.5%（小于 1%）。

如果我们检查 400 m/s 的速度，将导致大约 4% 的波速（不可接受）。

小结

• 随着过程速度的增加，静态平衡状态演变成动态平衡状态，惯性力变得更加占主导地位。我们应该尝试在惯性力仍然微不足道的最短时间段（Abaqus 最大加载速率）内对过程进行建模；

• 除了惯性力之外，问题的某些方面（例如材料行为）也可能与速率相关。在这种情况下，无法更改正在建模的事件的实际时间段。质量缩放方法在此类问题中变得有吸引力。

文章来源;abaqus仿真世界