Abaqus显式计算速度革命

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。


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