ABAQUS隐式分析收敛性问题解决方案

ABAQUS提供式和隐式两种求解类型，其中显式计算方法是“有条件收敛的”，只需满足增量步小于限值，大多数情况均能顺利计算完成；

而隐式计算方法，在非线性情况下极易出现不收敛的情况，比如：欠约束、接触、材料塑性或失效、断裂、屈曲失稳等，都可能导致多次迭代不收敛，增量步大小一降再降，直到满足终止条件而退出计算。作为老司机，使用了这么多年的软件总有点心得吧，总结了五条经验，
 
 

一、ABAQUS的任务提交流程

了解ABAQUS的任务提交流程，也就是让我们学会找错！当我们点击Submit后会有两个处理阶段：1）预处理；2）任务计算。

结合ABAQUS Job Monitor窗口进行讲解，两个阶段的分界点位于Data File子页面的内容是否完成；也就是说，当出现Error，而Message File和Status File未激活（生成）时，表明还处于预处理阶段，我们定义的模型一开始就存在问题，Errors子页面都会一一列出，通常会有：信息不完整、材料参数不符合本构模型、特殊定义之间冲突、关键字输入问题等，我们只需逐个修改即可。

当顺利进入任务计算阶段后，窗口上方的表格将实时更新为Status File（jobName.sta）中的内容，提示计算的进度，当后续再出现Error时，才可能是由于计算不收敛导致的错误。

二、收敛的基本条件

模型收敛是什么？很多初学者估计都不太清楚，从而提出一些奇奇怪怪的问题，比如：“我用弹性材料可以计算，换成复杂材料模型就计算不了，为什么？”。所以了解有限元基本原理是非常必要的，而要了解ABAQUS的求解机制，就需要看帮助文档，个人认为：帮助文档分析手册第七章（Analysis Solution and Control）的内容，是进阶的必修内容，然而前市面上除了王鹰宇先生的译本，并没有书籍进行过归纳和总结，还是感觉挺遗憾的。

求解的总体思路就是：整个任务分为多个阶段（Steps）；每个阶段分为若干个增量步（Increments）；一个增量步进行若干迭代（Iterations），上图为二次迭代过程，而这个过程中cb=ub-ua需要小于一定限值，通过类似的多次迭代，外力P与内力I之间容差R小于给定限值，从而认为增量步达到收敛要求。

这些限制条件都有默认值，大多数情况下我们不需要进行修改，但对于一些特殊或难收敛的情况，可以适当进行调整：Step模块下->Other菜单->General Solution Controls的Field Equations子页面进行设置，不同的场量计算均有自己的一套场控制参数。

除了迭代步的限制控制，还会有增量步大小控制，其中一些在定义分析步时进行设置；更多的则位于General Solution Controls窗口中的Time Incrementation子页面，其中I0和IR为迭代步次数限制，用于控制增量步变大或缩小；IA则为允许出现不收敛迭代的次数，对应Monitor窗口中的IU至5U，对于大多数非线性情况，5次是远远不够的，需要增大。

三、不收敛的原因的排查过程

进入任务计算阶段后：

1）如果最开始就出现1U至5U的不收敛问题，可能有以下原因：边界条件约束不足（欠约束）、重复导入部件（导致欠约束）、初始荷载过大、初始应力导致的材料塑性（Geostatic分析步）、单位制未统一（间接导致刚度过小和荷载过大）等；

2）如果是随着计算到中期或后期才出现不收敛情况，就需要根据已有的计算结果和模型情况进行判断，不收敛原因主要有：材料软化、失效、屈曲、接触非线性、温度（或其它场量）的骤变等；

3）随着加载的进行，出现畸变单元而导致终止，这个一般不是收敛问题，而是无法计算单元刚度矩阵从而无法组装整体刚度矩阵。通常需要网格重划分获得更好的网格质量、调整网格类型或采用其他大变形计算方法（ALE、CEL、SPH等）进行控制。

四、模型收敛控制的常用方法

排除由于模型设置问题导致的不收敛情况后，可以通过以下设置增加收敛性：

1）增量步控制：增大允许的最大增量步数量、减小允许的最小增量步大小、增加允许的不收敛增量步数量IA（参考第二部分内容）；

2）如果是由于材料软化、失效导致的不收敛问题，可以尝试改善网格质量、修改单元类型，如果还是不行，则在材料模型、单元类型或分析步中增加阻尼，阻尼设置看第五部分内容；

3）如果是接触导致的不收敛，可以修改接触类型、调整接触参数，如果还不行则增加接触阻尼；

4）上面三种调整后均无法收敛，则更换分析类型，采用Standard动力学或Explicit分析类型等。

五、万能和万恶的阻尼

说阻尼是万能的，是因为它可以极大改善模型的收敛性，实现复杂非线性问题的收敛；说阻尼是万恶的，因为它可以掩盖一些模型错误，从而提供失真甚至不合理的结果，因此大家不能过分依赖它！

切记第四部分的不收敛处理流程，首先排查模型的自身问题，最后才引入阻尼。

阻尼的添加方式主要有四种：

①材料阻尼或自稳定系数，CDP模型中就有viscosity；部分损伤材料提供Stablization Cohesive系数；动力分析中可以定义Damping，但是对于静力分析，材料Damping定义是无作用的；

②单元自稳定系数，不是所有单元都有的，其中Cohesive单元经常会定义上；

③自动稳定设置，类似全局阻尼，可以避免由于塑性绞/带、屈曲或失稳导致的不收敛问题；

④接触阻尼或自稳定系数，接触属性中可以定义阻尼；接触控制中定义阻尼自稳定系数，不太常用，位于Interaction模块->Contact Controls（接触对）或Contact Stabilization（通用接触），如果没有接触问题就不用定义。

讲了这么多，最后还是那句话：“纸上得来终觉浅”，需要大家在今后的练习过程中多多摸索、练习，只有实操后所萃取的精华才是最好的。希望这些经验总结能为给大家填坑搭桥，节约些许调试时间。

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