有限元隱式計算中出現(xiàn)負(fù)特征值的原因和解決方法

  在使用通用有限元軟件(如Abaqus,lsdyna,ansys)進(jìn)行隱式分析計算(或靜力分析,或動力學(xué)初始狀態(tài)求解)時,對于復(fù)雜裝配體模型,大家或多或少會遇到以下警告信息:

“***WARING:THE SYSTEM MATRIX HAS * NEGTIVE EIGENVALUES.”即警告:系統(tǒng)矩陣出現(xiàn)了負(fù)特征值。往往產(chǎn)生這樣的警告后,計算便很難收斂了。但也有例外,在接觸分析中,有可能在最初的幾次迭代中剛體位移還沒有被完全消除,會出現(xiàn)負(fù)特征值,而當(dāng)接觸關(guān)系建立起來后,就不再出現(xiàn)此警告信息,此時需要耐心等待計算過程,可能第一個增量步會收斂失敗,從而減小第一個增量步“時間”,重新計算,從而收斂。

原因及解決方法:

“負(fù)特征值”警告信息說明求解過程中生成的剛度矩陣是非正定的,可能原因主要有以下幾種:

1) 約束不足,出現(xiàn)了不確定的剛體位移,通常這個是重點檢查項。約束不足還可能會出現(xiàn)“NUMERICAL SINGULARITY數(shù)值奇異”、“ZERO PIVOT零主元”的警告信息。一般邊界條件的設(shè)置相信大家都會保證充分約束,那么最可能的原因是接觸關(guān)系的設(shè)置。對于綁定的接觸關(guān)系,由于網(wǎng)格疏密關(guān)系,要檢查是否確實“綁住”了,通過模態(tài)計算就可以驗證了。如果摩擦接觸關(guān)系,重點檢查是否存在明顯間隙或干涉,尤其是螺栓連接的位置,螺栓與連接零件之間的位置關(guān)系。

2) 異常的材料特性。如果材料具有負(fù)的彈性模型、負(fù)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和負(fù)泊松比等特殊的力學(xué)性質(zhì),也會出現(xiàn)“負(fù)特征值”的警告信息。通常這個原因大家會排除。

3) 出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)的單元。這往往是因為在分析過程中單元發(fā)生了過度變形。產(chǎn)生大變形,還會出現(xiàn)“NEGATIVE VOLUME負(fù)體積”的警告。檢查模型中可能存在大變形的零部件,是否是材料屬性(如密度)、接觸關(guān)系(未充分接觸)設(shè)置不符合實際情況。

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