abaqus分析收斂準則（外文書籍翻譯）.pdf

原文書籍：Troubleshooting Finite-Element Modeling with Abaqus With Application in Structural Engineering Analysis by Raphael Jean Boulbes (z-lib.org)

第二章 abaqus分析收斂準則

2.1 收斂問題的癥狀

收斂問題是與工程設計相關的一個典型的分析問題，涉及撓度、位移、應力、固有頻率、溫度分布等的預測。這些參數用于迭代材質參數和/或幾何體以優化其行為。傳統的方法，如手工計算，涉及理想化的物理模型使用簡單的方程來獲得解決方案。然而，這些近似使問題過于簡單化，而解析解只能提供保守估計。或者，有限元法和其他數值方法旨在提供一個考慮到更多細節的工程分析，這對于手工計算是不實際的。有限元法將物體分割成小塊，使位移沿這些單元邊界連續。對于那些使用有限元分析的人，通常使用收斂項。大多數線性問題不需要迭代求解過程。網格收斂是一個重要問題另外，還有在迭代過程中也需要考慮收斂性。在本節中，將調查收斂性問題并解決與此術語相關的問題。首先，要識別大多數收斂問題的癥狀，可以在消息文件（.msg）擴展名中找到。此外，.dat和（.sta）文件也可能包含問題的癥狀。有一些共同的信息可能表明收斂問題在求解有限元模型時造成數值困難。一些例子概述如下：

? W ARNING: THE SOLUTION APPEARS TO BE DIVERGING

? W ARNING: THE STRAIN INCREMENT HAS EXCEEDED FIFTY TIMES

THE STRAIN TO CAUSE FIRST YIELD A T 7 POINTS

? W ARNING: THE SYSTEM MA TRIX HAS 3 NEGA TIVE EIGENV ALUES

? W ARNING: ELEMENT 441 IS DISTORTING SO MUCH THA T IT TURNS

INSIDE OUT

? NOTE: SUBDIVISION AFTER 12 ITERA TIONS FOR SEVERE DISCONTI-

NUITIES

? W ARNING: OVERCLOSURE OF CONTACT SURFACES SLA VE_SURF AND

MASTER_SURF IS TOO SEVERE CUTBACK WILL RESULT

? W ARNING: SOL VER PROBLEM. ZERO PIVOT WHEN PROCESSING NODE

1 D.O.F. 1

2.2收斂問題的原因

有限元建模不足是非線性仿真中最常見的收斂問題。下面是一些例子：

?Defining conflicting constraints between boundary conditions, contact conditions,

and/or multiple point constraints.

– Not adequately constraining the model;

– Having incomplete/inadequate material data;

– Using an inappropriate element.

?定義邊界條件、接觸條件和/或多點約束之間的沖突約束。

–不充分約束模型；

–材料數據不完整/不充分；

–使用了不適當的元素。

? Another common cause is a highly unstable physical system. These cases demand

the correct element type and analysis techniques to be used.

?另一個常見原因是物理系統高度不穩定。這些情況要求使用正確的元素類型和分析技術。

2.3 幫助Abaqus找到一個收斂解

一個很好的方法來識別哪個癥狀是造成數值困難的原因，就是分離出最大的潛在原因，然后重新運行它，看看有什么變化，從而一次修復一個癥狀。以下是一些建議：

幫助Abaqus的最好方法是構建一個正確模型測試。

–不要把每個細節都放在第一個模型中。

–可能從接觸開始，但沒有塑性、摩擦或非線性幾何體來了解模型的行為。–每次添加一個，以限制收斂問題的來源數量。

?給出初始增量、最小增量大小和最大增量大小的合理值。

?收斂問題的原因在.msg、.dat、.odb和.sta文件中報告。

–不要限制寫入消息文件的數據。

–對于接觸問題，請訪問模型輸入文件“-.inp”，并使用關鍵字命令*PRINT，contact=YES在消息文件中獲取詳細的聯系人信息。2.3幫助Abaqus找到一個收斂解19–對于材料問題，使用*PRINT，plastity=YES獲得塑性算法未能在材料程序中收斂的元素和積分點編號的輸出。

–請求將其他附加信息寫入這些文件，以幫助查找收斂問題的根源。

–對于材料問題，使用*PRINT，plastity=YES獲得塑性算法未能在材料程序中收斂的元素和積分點編號的輸出。

–請求將其他附加信息寫入這些文件，以幫助查找收斂問題的根源。

2.4 通用工具

快速控制上述警告消息的全局概覽，可以為分析人員提供有關錯誤的合理猜測，并大致了解要采取的糾正措施。下面列出了修復數值問題所需執行的一些第一個邏輯操作：

1 最好使用位移控制而不是負載控制。例如，如果模型在純張力下加載，然后應用軸向位移值來模擬張力荷載，而不是使用集中力荷載，它將最小化因位移引起的收斂問題禁用對解的控制。迭代解將更穩定。在純彎曲荷載情況下，使用旋轉位移值而不是集中力矩荷載適用相同的建議。將所需的節點力和位移寫入.dat文件，然后使用（-x y data）功能提取數據，從而生成荷載與位移的（x-y）數據文件，以在Abaqus視圖中繪制。

2 控制增量大小，以防止Abaqus過于激進地接近突然的剛度變化。使用命令*STATIC設置初始增量大小、最小步長和最大步長。初始增量大小通常應在0.01–0.1范圍內，以緩慢開始分析（默認值為1.0）。可以減小最小步長以允許解算器進一步縮減，而（默認值=0.00001）可以減小最大步長以防止Abaqus過沖突然的剛度變化，并可以導致更有效的運行（無默認值）。（例如，*靜態0.01、1.0、1.0000E-08、0.1）

3 創建一個非常小的初始步驟來啟動接觸。

4 在特定節點上使用dashpot1或spring元素。

5 使用連接件元素或梁元素而不是多點約束。

6如果沙漏分類[1]3是一個問題（通常只有連續體元素而不是殼元素的問題），請使用完全集成的元素類型或沙漏控件。

7 為了幫助解決大旋轉的問題，使用拋物線外推。（例如，* STEP, EXTRAPOLATION=parabolic）

8 關閉位移修正的外推，以便Abaqus不會過于激進地接近剛度突變。（例如，* STEP, EXTRAP-OLATION=NO)）

9 對于隨動載荷或高彎曲變形表面間的有限滑動問題，應采用非對稱矩陣存儲和求解方案。（例如，* STEP, UNSYMM=YES）

10 對于全局不穩定問題，如全局屈曲、坍塌或突變，其中非線性不穩定區域是發生突變4的區域，平衡路徑從一個穩定點A轉到另一個新的穩定點B，可以使用Riks5。如果使用RIKS，在創建使用RIKS的附加步驟之前，在需要之前不要使用RIKS。必須注意，使用位移控制比RIK更有效。對于RIKS分析中的回溯，請在*STATIC，RIKS下指定最大弧長，如1.5。11 對于局部不穩定問題，使用自動穩定和監測阻尼能量。這不能與RIK一起使用，但可以與位移控制*STATIC, STABILIZE *ENERGY OUTPUT,*ENERGY PRINT或 *ENERGY FILE，以監視能量ELSD、6ESDDEN7和ALLSD。

12 在*PLASTIC材質定義的完全塑性區域中添加略微增大的坡度。

13 將混合單元用于高度不可壓縮單元（泊松比接近0.5）或各向異性超彈性公式（單元中的大剛度差異，如彎曲與軸向剛度）。

14松散的收斂條件（如果可能，請避免）。在為后續步驟使用默認參數之前，可能需要在需要接觸的初始小步驟中進行此操作。*controls, PARAMETERS=FIELD.。

2.5 接觸穩定工具

這里，提供了一些適用于靜態平衡的建議，這取決于接觸相互作用的故障排除。

1 創建一個非常小的初始步驟來啟動接觸。

2 用位移控制代替負荷控制。將所需的節點力和位移寫入.dat文件，然后利用x y data特性生成一個（x-y）荷載與位移數據文件，繪制在viewport中。

3 添加與總負載相比剛度較低的彈簧，以使接觸對產生一些阻力，直到建立接觸。如果彈簧力太大，則可以建立第二個步驟，以便在建立接觸后拆下彈簧。四。為了在沒有剛體運動的情況下獲得初始階段建立的接觸，應使用逼近參數。在單獨的步驟中施加結構荷載（或絕大多數荷載），然后監測接觸壓力CPRESS和能量ALLSD的能級。*CONTACT controls,

APPROACH MASTER=master-name, SLA VE=slave-name.。

2.6 接觸相關收斂問題的工具

通常，處理接觸交互定義時必須小心，特別是在使用附加參數幫助收斂（例如，調整、接近、收縮和自動公差）時。之后可以執行的控制檢查，確保負載流或關鍵接觸行為不受影響。

1使用*CONTACT PRINT將接觸力將寫入*.dat文件，該文件將有助于確定哪些聯系人pair在建立聯系時遇到困難。

2。選擇主/從曲面并相應地定義網格以捕獲所需的接觸行為，主曲面ldhavethecoarsermesh.More，分析員可以定義主曲面，使其超出從曲面，但絕不相反。

3雙校驗模也包括接觸面。基于接觸法線方向的在主表面上；因此，如果法向至關重要，則主表面應因此，如果觀測到較大的過損耗，表示接觸法向錯誤。

4仔細檢查接觸面上的邊緣，并消除主表面上的裂紋。

5 不要將一個節點定義為兩個或多個接觸對或間隙元素的從屬節點。

6 應盡可能使用間隙條消除接觸。如果接觸定義為初始零間隙是顫振，試著改為非常小的非零間隙。

7 添加與總負載相比剛度較低的彈簧，以向接觸副提供一些電阻，直到建立接觸。如果彈簧力太大，則可以創建第二個步驟，以便在建立接觸后移除彈簧（使用S11選項監視反作用力）。

8 添加破折號。

9 如果觸點在初始階段有輕微的過度穿透，則使用adjust=0，但如果初始接觸力非常重要，則應小心使用

10 使用軟化接觸施加與穿透量相關的力（如果振動）。*SURFACE BEHA VIOR, PRESSURE-OVERCLOSE= EXPO-

NENTIAL 0.1, 200.

11 如果嚴重不連續減少，則增加允許的最大嚴重不連續迭代次數（默認值為12）。

*conctrols ,PARAMETERS=TIME INCREMENTATION, , , , , ,24

12 打開“自動公差”，以便Abaqus計算過閉合公差和分離壓力公差。*CONTACT controls, AUTO-MATIC TOLERANCES.。

13 消除接觸中的摩擦，除非絕對必要（如在機構/內部）。相反，在極少數情況下，模型會隨著摩擦值的增加而更好地收斂。當摩擦系數大于0.2時，Abaqus/Standard將自動采用非對稱矩陣存儲和求解方案。

14 打開小滑移請小心使用主表面。**CONTACT PAIR, SMALL SLIDING.。15  使用* *CONTACT DAMPING來阻尼接近或分離過程中接觸面的相對運動。

16 增加觸點對中稱為HCRIT的絕對穿透公差。盡管這在某些情況下很少有幫助，但總比什么都沒有好。

17  對于高曲面之間的有限滑動，使用對稱矩陣存儲和求解方案。*STEP, UNSYMM=YES.

18 對于摩擦滑動等嚴重的不連續行為，采用不連續控制。這可能會增加運行時間，特別是對于非嚴重間斷的問題。*控件，分析=不連續。

19 在求解過程中使用靜態顯式解算器更改數值格式。

10 顯式解算器是模擬高能量、短持續時間動態事件（如碰撞、跌落試驗和爆炸分析）的最佳選擇。但是，在某些情況下，它們也可以用于靜態分析。顯式解算器依賴于一個假設，即模型屬性在每個時間步內都是線性的，矩陣在每個步驟結束時都會更新。這種假設被認為是準確的，因為只使用非常小的、條件穩定的時間步。該假設是重要的，因為它消除了收斂迭代的需要，這往往可以防止高度非線性隱式分析求解。這意味著顯式解算器可以用來處理高度非線性的靜力學問題，這些問題要么由于收斂問題而無法用隱式解算器求解，要么由于需要多次迭代而求解得非常慢。

有限元模型中接觸交互設置的一個良好實踐是遵循以下基本規則：

? As a rule, use *PRINT, CONTACT=YESto request detailed output of points that

?通常，使用*PRINT，CONTACT=yes請求在接口和間隙問題中接觸或分離的點的詳細輸出。

are contacting or separating in interface and gap problems.

? As a rule, do not use the ADJUST parameter in a *CONTACT PAIR that will be

removed. The adjustment takes place prior to the removal and can distort elements

一般情況下，不要在將被移除的*觸點對中使用調整參數。調整在拆卸之前進行，如果表面在接觸開始之前未處于最終位置，則可能會使元件變形。

if the surfaces are not in their final positions before contact is initiated.

? As a rule, if you are adding damping, use *ENERGY PRINT or *ENERGY

OUTPUT or *ENERGY FILE to monitor ALLAE11and ALLSE

? ?通常，如果要添加阻尼，請使用*能量打印或*能量輸出或*能量文件來監視alle11和ALLSE。

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