abaqus顯式求解的案例
【仿真平臺性能測試】Abaqus顯式求解分析
本期選取CAE領域最常用的仿真軟件Abaqus，選擇基于Abaqus顯式求解的某型汽車碰撞的案例。我們來看下基于“神工坊”高性能仿真平臺”的Abaqus顯式求解計算，和其他仿真云平臺進行效率對比如何。
Abaqus顯示求解適用于非線性的動力學問題和準靜態(tài)問題，適用于模擬碰撞、沖擊和爆炸等問題，因此廣泛應用于航空、航天、汽車等領域。顯式求解應用中心差分方法對運動方程進行顯式的時間積分，應用一個增量步的條件計算下一個增量步的條件，且需要較小的時間增量，所以對計算機的硬件要求較高。
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模型介紹
我們進行顯式分析的模型為某型汽車的碰撞有限元模型。使用材料為某型鋼，模型網格數(shù)量為300萬,實體網格使用C3D8R,殼體網格使用S4RS。仿真時間為0.6s。使用質量縮放，定義時間增量步為1E-06。
汽車、路面和墻體之間接觸使用通用接觸。定義墻體為剛體、路面為剛體。通過在墻體上定義RP點，將固定約束施加在RP點上使得墻體固定。汽車的初始速度為25mph,在車體上施加速度場，方向為X軸正方向。
展開 Abaqus顯式求解出錯
Abaqus顯式求解時有時勾選了多核運算才能求解，不然報錯，有時因為勾選了才出錯，這是啥原理
Ansys vs Abaqus：隱式與顯式求解的終極博弈
在CAE領域，選擇Standard（隱式）還是Explicit（顯式）求解器，本質上是在平衡“計算精度”與“時間尺度”。
1?? 隱式求解 (Implicit/Standard)
核心是求解 $Ku=F$。每一步都需要進行矩陣求逆和牛頓迭代，以確保力平衡。
特點： 絕對收斂。步長可以很大，不受穩(wěn)定性限制。
擅長： 靜力學、線性振動、緩慢的非線性過程。
痛點： 接觸極度復雜或大變形時，收斂困難，報錯“收斂失敗”是常態(tài)。
2?? 顯式求解 (Explicit)
核心是動力學方程 $Ma=F-I$。直接根據(jù)當前時刻的狀態(tài)推導下一時刻，不求逆陣，不迭代。
特點： 沒有收斂問題。但步長受限于穩(wěn)定性準則（CFL條件），通常極小（$10^{-7}$s量級）。
擅長： 跌落、碰撞、爆炸、高速切削。
痛點： 適合極短時間內的物理過程。計算長時間問題時，累計誤差大。
3?? 工具選型建議
Abaqus： Standard與Explicit切換極其絲滑，適合處理復雜的非線性接觸（如密封件、橡膠）。
Ansys： 隱式求解器極其高效穩(wěn)定，配合LS-DYNA插件，在結構靜力和多物理場耦合上具有統(tǒng)治力。
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現(xiàn)方式研究系列24： 顯式求解Step By Step
本文首先研究商用有限元中最常用的顯式求解算法中心差分法的理論，并給出了一個彈簧顯式動力學分析的Step by Step例子，通過這個例子猜測了Abaqus中采用中心差分法求解顯式動力學問題的過程，然后在自編有限元程序iSolver采用同樣的算法，驗證iSolver的結果和Abaqus完全一致，從而證明Abaqus的內部算法和我們設想的一致。具體驗證過程也可以參考我們的演示錄像：
https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884 4分析篇.3-彈簧顯示動力學分析
1.1 中心差分法的理論
中心差分法的標準理論可查看相應的論文，由于和Abaqus的中心差分法比較接近，所以在此不累述。
1.2 Abaqus中心差分法的理論
注：本節(jié)公式均摘自《Abaqus Theory Manual 2.4.5 Explicit dynamic analysis》
1.2.1 差分公式
取i-0.5時刻的速度和 時刻的加速度，則有下式，
式中，
表示速度，
表示加速度，
表示時間步大小。
帶入i時刻的位移，則有，
其中，i時刻的加速度可根據(jù)牛頓定律計算得出，即，
式中，M表示集中質量陣，F(xiàn)表示外力，I表示內力。
展開 
LSDYNA-隱式－顯式順序求解
LSDYNA-隱式－顯式順序求解，電腦中存的資料
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微信公眾號：名稱：“DR有限元”
號碼：“hello_cae”
新能源電池包、模組等結構基于ABAQUS的多次沖擊（連續(xù)沖擊）、多次跌落等多個顯式工況的累加計算 ￥9.99
本方法可用于顯式工況后動能的釋放、多個不同顯式工況的累加計算等（如沖擊完跌落，先X向沖擊再Y向沖擊等）
對于新能源電池包、模組等結構通常會有多次沖擊（連續(xù)沖擊）或多次跌落的要求，采用ABAQUS進行顯式動力學求解時，進行完一個顯示分析工況的求解后，結構往往有很大的動能，不能直接進行第二個顯式工況的加載，本文以某一簡化的模組為例說明在ABAQUS中解決連續(xù)沖擊的問題。
案例采用的模組12Kg，沖擊工況為25g/15ms，Y向沖擊兩次。
以下為計算的結果對比，首先是第一次正常沖擊的結果，第二個是消除第一次沖擊后動能及彈性變形的結果，此時保留了塑形變形與殘余應力，第三個是在第二個的基礎上進行的又一次正常沖擊，可以看出，連續(xù)兩次沖擊后，模組側板的塑性應變有增大。
觀察第一次沖擊和第二次沖擊的動能曲線，可以看出兩次沖擊的動能曲線基本重合。
以下付費內容包含模型文件，操作步驟說明文件等，感興趣的可以下載學習。
展開 顯式動力學出現(xiàn)必須要用隱式求解的警告
模型設置：使用hinge連接器，一端連接剛體參考點，一端使用運動耦合連接軸孔，在使用顯示求解的時候運動耦合參考點出現(xiàn)了下面的錯誤，請問該錯誤會影響結果嗎，如果會該怎么處理。謝謝
技術范例 – 在顯式求解器設定質量放大
前言：
Abaqus/Explicit的優(yōu)勢是分析接觸、碰撞等高度非線性問題，或是當Abaqus/Standard難以收斂時，利用Explicit將問題以擬靜態(tài)方式模擬就沒有收斂問題。然而，為了得到穩(wěn)定、可靠的結果，Explicit求解時使用非常小的時間增量，進而產生龐大的計算成本。因此，提高加載速率(Loading rate)與質量放大(Mass scaling)經常用來提升計算效率。不過當材料需要考慮應變率時，提高加載速率的方法將不適用，使用者可以使用質量放大來提高運算速度。
原理：
Abaqus/Explicit將求解過程視為波傳問題，穩(wěn)定時間增量的計算如下面公式，其與元素特徵長度及疏密波波速有關，其中疏密波波速又和楊氏係數(shù)與密度有關。質量放大的原理就是調整部分元素的密度，藉由放大時間增量來提升計算效率。
步驟一：
設定質量放大前，先檢核當前模型的穩(wěn)定時間增量，當作后續(xù)調整的依據(jù)。建立完Job之后，無論直接提交(Submit)分析或是執(zhí)行Data check，系統(tǒng)都會將穩(wěn)定時間增量的資訊寫入(.sta)檔內，如下圖所示，使用者可以從(.sta)檔中找到初始時間增量以及前十個控制時間增量的元素。
步驟二：
在Step模塊建立Dynamic, Explicit分析步時，進入Mass scaling的頁籤，勾選Use scaling definitions below選項后，點選Create設定質量放大。
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現(xiàn)方式研究系列13：顯式和隱式的區(qū)別 ￥1
一方面我們查閱各個主流商用軟件的理論手冊并通過進行大量的資料查閱猜測內部修正方法，另一方面我們自己編程實現(xiàn)結構有限元求解器，通過自研求解器和商軟的結果比較來驗證我們的猜測，如同管中窺豹一般來研究的修正方法，從而猜測商用有限元軟件的內部計算方法。我們關注CAE中的結構有限元，所以主要選擇了商用結構有限元軟件中文檔相對較完備的Abaqus來研究內部實現(xiàn)方式，同時對某些問題也會涉及其它的Nastran/Ansys等商軟。為了理解方便有很多問題在數(shù)學上其實并不嚴謹，同時由于水平有限可能有許多的理論錯誤，歡迎交流討論，也期待有更多的合作機會。
iSolver介紹：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884
==第13篇：顯式和隱式的區(qū)別==
CAE求解方法一般有兩種，分別為顯式（Explicit）和隱式（Implicit）。顯式求解算法基于動力學方程，當前時刻的位移只與前一時刻的速度和位移相關，求解過程中無需迭代；而隱式求解基于虛功原理，一般需要進行迭代計算。
在Abaqus中，顯式求解和隱式求解一般都會采用增量求解，即將分析步分割為若干個增量步，在當前增量步達到平衡時計算下一個增量步。
1. 顯式(Explicit)
在顯式求解過程中，每個增量步內不需要進行迭代求解，且無需形成切線剛度矩陣，故每個增量步內計算量相對于隱式求解方法消耗較小，一般與單元規(guī)模成正比。但增量步長也不能過大，一般不超過模型最小自由振蕩周期的1/10，否則容易導致計算結果發(fā)散。
2. 隱式(Implicit)
在隱式求解過程中，每個增量步都需要進行平衡迭代，需要形成切線剛度矩陣，計算量相對較大，一般與單元規(guī)模和迭代收斂速度相關。隱式求解的收斂速度和穩(wěn)定性根據(jù)選擇迭代方法的不同而不同。
展開 基于LS-DYNA顯式求解器模擬飛機發(fā)動機風扇葉片的鳥類撞擊
基于LS-DYNA顯式求解器模擬飛機發(fā)動機風扇葉片的鳥類撞擊
前言
1903年12月17日，萊特兄弟（Wright Brothers）首次試飛了世界上第一架飛機“飛行者一號”。不到兩年后的1905年09月07日，弟弟奧維爾·萊特（Orville Wright）就記錄了飛行器與鳥類的第一次碰撞。飛行器的出現(xiàn)打破了天空的平靜，人與鳥類沖突不斷發(fā)生。鳥類碰撞也可能導致更嚴重的后果，卡爾·羅杰斯駕駛著一架VinFiz的萊特EX雙翼飛機，在1911年成為第一個乘飛機穿越美國的人。但在1912年04月03日，在加利福尼亞州長灘的一次演示飛行中，他的飛機與一只海鷗相撞，飛機隨后失去控制并墜入太平洋，這是第一次鳥類襲擊導致的人類死亡事件。從那時起的一百多年里，隨著飛機和航空旅行的增加，鳥類和飛機之間的空中事故也在增加。當鳥類生命和飛機共享空域時，事故是不可避免的。
飛行員卡爾·羅杰斯是第一個死于鳥類襲擊事故的人。（圣地亞哥航空航天博物館）
鳥類撞擊的特征
根據(jù)美國鳥類襲擊委員會（Bird Strike Commission USA，該組織成立于1991年，旨在促進信息交流，促進野生動物襲擊數(shù)據(jù)的收集和分析）的統(tǒng)計，鳥類和其他野生動物襲擊每年對美國民用和軍用航空造成超過6.5億美元的損失。此外，鳥類襲擊使機組人員和乘客的生命處于危險之中——自1988年以來，由于野生動物襲擊，全世界已有200多人死亡。他們預測隨著空中交通工具數(shù)量和鳥類數(shù)量的增加，鳥類與飛機碰撞的風險，頻率和潛在嚴重程度將在未來十年持續(xù)增加。
鳥擊傷害示例：鳥擊傷害可能相當嚴重，并可能關閉噴氣發(fā)動機。（波音公司）
匯總各種來源的綜合數(shù)據(jù)，從1990年到2014年，共有133940起鳥類撞擊飛機的報告，其中造成飛機損壞的次數(shù)為15472次，平均每年約619次。
展開 油液流動及冷卻分析——了解LS-DYNA中的顯式SPH求解功能
觀看視頻
LS-DYNA中的SPH方法通常作為顯式對象進行處理，有一些方法可以進行近似計算并實現(xiàn)可壓縮性，但過程同樣非常復雜。ISPH方法便是為了實現(xiàn)真正不可壓縮的粒子方法而開發(fā)，相對于傳統(tǒng)顯式SPH方法擁有更大的時間步長。在相關模擬分析中也可以考慮表面張力、附著力、粘度、阻力等，這些力對于潤滑油如何粘到不同的結構部分非常重要。此外，用戶同樣關注潤滑油如何與結構的其它部分相互作用，比如進水情況，這里可以通過追蹤部分流體流經的位置，了解它是否接觸了某些結構組件等，也可以用來計算傳熱相關的HTC用于后續(xù)的電機/變速箱冷卻仿真。
工作原理
ISPH是一種顯式預測方法，所有的非內部壓力，如重力、表面張力、粘度等等都可以進行預測，通過仿真計算獲得速度場，根據(jù)速度計算密度。同樣如果粒子在下一個時間步長移動到某處時，需要找到能夠補償它的壓力，使得預測的密度與流體的剩余密度相同。當時間步長結束時，粒子仍需處于不可壓縮狀態(tài)，用松弛的雅可比求解器求解線性方程組并進行迭代，求出每個時間步上每個粒子上的壓力和力，以保持流體的不可壓縮性。
上圖所示案例中，實際上并沒有定義流體與結構之間的接觸，簡單齒輪也是采用粒子進行建模。FSI本身可以通過純粹SPH之間的相互作用進行求解，因此不存在接觸，無需考慮罰函數(shù)接觸或其它類似接觸問題，這些全部是通過SPH計算完成。最終將這些力施加到結構上，結構被與流體粒徑相似的顆粒“包裹”，該情況下需要假設所有結構都是剛體。
另一方面，ISPH只模擬單相流，可以通過阻力計算等效捕捉環(huán)境空氣的影響。在該齒輪箱分析中，針對潤滑油進行建模，空氣并未通過建模來表示。該方法也可用于涉水仿真等方面，假設空氣速度場是恒定的，只需為空氣指定某個速度，然后求解器會施加空氣阻力。
展開 
Abaqus-原來顯式計算也可以這么快
本文詳細介紹了 Abaqus/explicit 中的準靜態(tài)分析及其提高求解速度的方法。
我如何知道我的模擬是否是準靜態(tài)的？
準靜態(tài)問題是通常可以使用 Abaqus/Standard 解決的問題之一，但由于觸或材料的復雜性，可能難以收斂，從而導致大量迭代。具有挑戰(zhàn)性的非線性準靜態(tài)問題通常涉及：
接觸條件非常復雜，Abaqus/Standard 可能會因接觸問題而無法收斂；
非常大的變形可能導致嚴重的網格變形；
例如，通常在金屬成形分析中，我們面臨這樣的困難：用 Abaqus/Standard 來模擬這樣的問題確實很困難。
示例：模擬拉深過程中的撕裂
Abaqus/Explicit顯式準靜態(tài)分析問題
Abaqus/Explicit 對于高度非線性靜態(tài)（準靜態(tài)分析）問題的建模更加有效。對于涉及接觸和金屬成型等非常大變形的三維問題尤其如此。
應用 Abaqus/Explicit 模擬準靜態(tài)事件需要特別考慮。在自然時間段內對過程進行建模在計算上是不切實際的。從字面上看，需要數(shù)百萬次的時間增量。因此，我們在模擬中人為地提高加載過程的速度以獲得經濟的解決方案。
使用 Abaqus/Explicit 獲得經濟的準靜態(tài)分析解決方案的兩種方法是：
1、人為提高加載速率
我們可以通過提高加載率來人為地減少該過程的時間尺度。增加的加載速率會減少模擬的時間。將加載速率提高 f 倍，分析速度提高 f 倍。
2、采用質量縮放
它增加了穩(wěn)定時間增量的大小，因此完成作業(yè)所需的增量更少。人為地將材料密度（質量縮放）增加 f*f 倍，可以將分析速度提高 f 倍。
在本文中，我們的重點是提高加載速率的方法。
展開 ABAQUS顯式與隱式的區(qū)別
ABAQUS中動態(tài)分析包括兩大類基本方法：
振型疊加法：用于求解線性動態(tài)問題；
直接積分法：主要用于求解非線性動態(tài)問題。
ABAQUS顯式（explicit）和隱式（standard）算法分別對應著直接積分法中的中心差分法（顯式）和Newmark（隱式）法等。
比較兩種算法，顯式中心差分法非常適合研究波的傳播問題，如碰撞、高速沖擊、爆炸等。顯式中心差分法的M與C矩陣是對角陣，如給定某些有限元節(jié)點以初始擾動，在經過一個時間步長后，和它相關的節(jié)點進入運動，即U中這些節(jié)點對應的分量成為非零量，此特點正好和波的傳播特點相一致。另一方面，研究波傳播的過程需要微小的時間步長，這也正是中心差分法的特點。
而Newmark法更加適合于計算低頻占主導的動力問題，從計算精度考慮，允許采用較大的時間步長以節(jié)省計算時間，同時較大的時間步長還可以過濾掉高階不精確特征值對系統(tǒng)響應的影響。隱式方法要轉置剛度矩陣，增量迭代，通過一系列線性逼近（Newton-Raphson）來求解。正因為隱式算法要對剛度矩陣求逆，所以計算時要求整體剛度矩陣不能奇異，對于一些接觸高度非線性問題，有時無法保證收斂。
下面分別介紹這兩種算法
abaqus 顯式與隱式的區(qū)別.pdf
展開 abaqus顯式接觸厚度問題
我做了一個落錘沖擊梁的模型，落錘用的離散剛體，加工成殼，用動力隱式可以計算，但用動力顯式就報錯。
動力隱式容易不收斂，所以現(xiàn)在不知道在顯式中怎么改。
For two-dimensional models, if a non-unity thickness is specified for two-dimensional solid elements and these elements are involved in an interaction such as contact, the same thickness should be specified for the out-of-plane thickness of the corresponding surface under *surface interaction.
展開 Abaqus隱式轉顯式分析 ￥10
我們在做顯式動態(tài)分析時經常會碰到模型中需要考慮螺栓預緊力，重力場，過盈配合，預應力等的情況，此時我們便需要用到abaqus隱式轉顯式的方法。
通過一個預緊力的小例子（隱式加載9000N預緊力，顯式工況為空載）來加以說明。
計算結果
通過調整接觸算法，得到誤差更小的接觸力。(方法2預緊力誤差為0.22)
