在做仿真时,有很多次会遇到一种Error(如下图),尤其是在做非线性大应变分析(橡胶),但是很多人对于这种问题往往不知道如何下手解决,因此笔者做了一个案例,当做抛砖引玉的引子吧。
从这个错误的字面解释来看,无非就是某个单元由于变形过大,导致网格损坏,从这个Error中已经给出了相应的解决方案:增加子步的数量(减少步长)(使Load缓慢加载也就是增加子步数量)、提高网格的质量、考虑一下材料、接触等等。但是有时候我们按照提示修改了之后发现并不起作用,因此笔者通过一个橡胶压缩的案例(参考Help中的Nonliear Adaptive Region案例)。
案例一:未使用U-P与自适应网格技术
1.建立模型
注意:将上面的压头设置为刚体(Rigid),来减少计算量。
2.设置正方体材料为橡胶本构
注意:此参数来源于《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》周炬、苏金英著
3.设置接触
4.网格划分
注意:网格划分采用系统默认,由于后续将要使用自适应网格技术(Nonlinear Adaptive Region),对于3D模型来说,自适应并不支持六面体网格,因此使用四面体网格控制技术。
5.边界条件
注意:压头的上表面施加远端位移(Remote Displacement)向下移动8mm,其他5个自由度均设置为0(对于刚体施加位移也可以通过joint中的移动副),正方形底面设置固定约束(Fixed Support),正方形两侧面设置无摩擦约束(Frictionless Support),目的是为了约束正方体在被压缩的时候,两侧面不发生向外变形。如果不理解无摩擦变形,很简单通俗的解释就是所施加的面在法向不分离,切向可滑移。
6.分析设置
注意:子步的设置之前的几篇文章就已经讲过,子步可以设置大,但不能无限大,本例最大设置为10000,读者可以通过使用不同的Max Substep对比一下对收敛情况的影响。对于超弹性本构必须打开大变形开关,否则无法计算。
7.求解
注意:求解至0.57484s时候,出现不收敛情况,也可以考虑打开重启动,打开方式如下图所示,然后当不收敛情况出现时,在分析设置中选择要重启的子步,然后打开稳定性开关,设置如图所示,点击Solve继续求解,一般情况下,重启动对收敛帮助很大,但是遇到较强的非线性,重启动有时也作用不大。
注意:重启点需要往前移几个子步,比如在第83个子步处不收敛了,重启点不能设置在从子步83处重启,必须设置为83的前移数字,比如80、78等等,否则也无法收敛。
注意:当使用重启动功能时,再次点击Solve,软件会根据设定的重启点开始接着上回的计算继续,这不仅是节约时间的办法,也是帮助收敛的功能之一。
8.查看不收敛前的变形情况
此上案例是设定橡胶参数,通过压头下压来使得正方体变形,但是由于大变形问题,因此存在不收敛问题,计算至0.57484s,计算自动终止。
案例二:通过调用U-P(杂交单元)解决橡胶的大应变问题
由于橡胶表现为不可压缩性,泊松比近似为0.5,易发生体积自锁,因此需要使用U-P单元技术来解除体积自锁。
在正方体的Body下插入一条command:Keyopt,matid,6,1代表的是打开U-P杂交单元选项。
注意:本例与上一个案例唯一不同点就是打开了U-P杂交单元,其余分析设置、接触、材料与边界条件完全一致。
1.求解
从图中可以看出,当使用U-P杂交单元技术时,求解至0.72917s不收敛,相比于不使用U-P单技术更容易收敛,针对体积自锁(读者自行百度),如果不使用U-P杂交的话,只有较小的位移才能收敛,如果定义了U-P杂交单元仍然不能收敛,可以在求解栏插入一条Command:Solc,,,,vtol !vtol为体积容差值,与U-P单元对应使用,其取值范围是0≤vtol≤1,默认为1e-5,推荐为1e-5≤vtol≤1e-2。
案例三:通过调用U-P(杂交单元)+Nonlinear Adaptive Region解决橡胶大变形
两个案例对于橡胶问题还是收敛不了,因此在16.0的版本增加了新功能,自适应网格,这个技术对于解决网格损坏很有帮助,并且能提高计算精度,但是局限性也很多,其中主要分为三种准则:energy、box、mesh,这三种对于2D、3D的分析时,名称似乎不太一致,也有position。
与案例二一样,插入了U-P杂交单元,然后再插入了Nonlinear Adaptive Region,如下图所示:
注意:这个功能为16.0以后的新功能,因此15.0之前只能进行Rezone的网格,这项功能可以在help中查看,笔者未研究过,记得大概是通过插入命令流,然后定义网格重新分区的参数。
Mesh Nonlinear Adaptivity的计算原理如下图所示:
1.设置自适应网格参数
注意:Skewness指的是倾斜度,范围0<Skewness<1,0为最好,1为最差,当倾斜度超过0.9的时候,就是激活网格自适应选项进行Remesh,Check At可以设置为奇异复发率与等距点,读者可以自行尝试设置。
2.求解
结论:求解完成,通过了8次Remesh,进行网格调整,最终有效避免了网格损坏的问题,为以后非线性大变形提供了解决思路。
Remesh的Gif:
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