Abaqus和OptiStruct求解器的随机分析仿真方法与结果对比研究

随机分析算是一种比较复杂的仿真工况,不同的求解器随机分析的设置均有差异,本文将研究Abaqus和OptiStrcut求解器在随机分析中的结果差异。


1. 模型说明

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如图,测试模型选取一个简单的车身翼子板,翼子板空间位置为水平放倒,即翼子板平面法向为Z向。翼子板与车身连接的地方全约束,约束位置加载Z向的加速度的功率谱密度,PSD谱加载电池包振动疲劳的国标,如下图所示。

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2. Abaqus的随机分析


abaqus的随机分析本质还是在基于模态的强迫运动上,加入随机分析的PSD载荷,所以工况设置主要有两步:


第一,用LANCZOS方法提取模型在全约束状态下的约束模态:

*STEP,NAME=Modal,NLGEOM=NO,PERTURBATION*FREQUENCY, EIGENSOLVER=LANCZOS, NORMALIZATION=MASS, SIM, ACOUSTIC COUPLING=ON  ,0.1,400.,,,*BOUNDARY1010, 1, 6*END STEP

上述,1010为模型中的rigid单元的主动点,提取的模态上限为400Hz。



第二,开始定义随时分析的工况步。

由于是基于模态的强迫运动,使用的是*MODAL DAMPING关键字定义模态阻尼:

*MODAL DAMPING, VISCOUS=FRACTION OF CRITICAL DAMPING, DEFINITION=FREQUENCY RANGE  0.0, 0.035  400.0, 0.035


使用*BASE MOTION定义强迫运动:


*BASE MOTION, TYPE=ACCELERATION, DOF=3, SCALE=1.0, LOAD CASE=1


同时,使用*PSD-DEFINITION来定义PSD谱,使用*CORRELATION定义PSD谱之间的相关性,由于只有一个激励点,所以是无相关的。


*PSD-DEFINITION, NAME=psd, TYPE=BASE, G=9810.00.05, 0.0, 5.00.06, 0.0, 10.00.06, 0.0, 20.00.0008, 0.0, 200.0*CORRELATION, PSD=psd, TYPE=UNCORRELATED, COMPLEX=NO1, 1.0


最后,在工况定义中,还需要定义提取的频响范围,使用*RANDOM RESPONSE关键字定义即可,我们提取的10-200Hz之间,没间隔1Hz提取一个结果,线性提取:


*RANDOM RESPONSE10.0, 200.0, 191, 1.0, 1


最后就是该工况步的输出设置,输出单元和节点的均方根值即可,略。



3. OptiStruct的随机分析

同Abaqus的一样,OptiStrcut求解器的随机分析本质上还是频响分析,只不过加入了随机激励的PSD谱,最后输出的单元节点的应力、位移等也是随机量。


第一,强迫运动的定义

基于模态的频响分析,并且强迫运动的加速度为1G。首先使用EIGRL提取模型的约束模态,使用SPCD定义强迫运动的激励点,TABLED1定义强迫运动的扫频的加速度大小,RLOAD1来组装载荷,TABDMP1定义模态阻尼,FREQ1定义提取的频响分析的结果范围。主要关键字的设置如下:


RLOAD1      3003    2003                    1001       0    ACCEEIGRL         10     0.0   400.0                                    MASSFREQ1         30    10.0     1.0     190SPCD        2003    1010       3     1.0SPC           70    1010  123456     0.0TABDMP1       40       G             0.0    0.07   800.0    0.07ENDTTABLED1     1001  LINEAR  LINEAR             5.0  9800.0   400.0  9800.0ENDT


第二,功率谱的加载和工况的定义

TABRND1定义PSD功率谱,RANDPS定义功率谱之间的相关性:


RANDPS        60       3       3     1.0     0.0    8003TABRND1     8003     LOG     LOG             5.0    0.05    10.0    0.06    20.0    0.06   200.0  0.0008        ENDT


最后是相关工况的定义,主要有随机分析和功率谱的输出:


SUBCASE       1  LABEL= 9999: ZANALYSIS RANDOM  RANDOM = 60  STRESS(SORT1,PLOT,PHASE,VONMISES,BILIN,RALL,NORPRINT) = ALLSUBCASE    3  LABEL= 1010: Z  DLOAD =     3003


4. Abaqus和OptiStruct的随机分析的结果差异

两者在随机分析的常用方法上几乎是一样的,但结果还是有一些差异。

第一,首先是最基础的模态差异:

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如上表,模型在全约束状态下,均采用LANCZOS发提取模态,也均设置为质量归一,400Hz内均提取到了12阶模态,两者之间的差异在1%左右,并且模态振型没有区别(左侧是abaqus,右侧为optistrcut)

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第二,单元的应力结果差异

随机分析的结果具有统计学上的概念,由于激励就是加速度的功率谱密度函数,所以仿真的单元的应力结果也是vonMises应力的功率谱密度函数,最终查看的应该是RMS值,即均方根值,即直接的结果曲线与横坐标围成的面积的大小,实际计算的时候应该是PSD曲线与横坐标围成的面积进行开根号。

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我们就选择该单元,关注的频率段10-200Hz内提取其VonMises应力的RMS值,两个软件的结果进行对比,结果如下:

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可以看到,在整个频率段内,其RMS结果值随着频率的增加而增加,并且值比较接近,早200Hz时候,Abaqus求解器的RMS值为6.21MPa,而OptiStruct的RMS值为5.99MPa,差距大概在3.54%以内。



5. 结论


随机分析工况在Abaqus和OptiStrcut求解器之中仿真结果有细微差距,但差距较小,表明不同的求解器之间还是有细微的差别,这也从另外一个侧面说明,与试验对标,对的不是绝对的吻合度,更重要的可能是仿真的稳定性。



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