搜索第九篇：彈塑性分析不收斂時的解決方法
2017-03-17 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
在使用ABAQUS/Standard進行彈塑性分析時遇到不收斂問題,應如何解決?
《實例詳解》第6.1.3節“解決彈塑性分析中的收斂問題”介紹了解決彈塑性分析不收斂問題的主要方法,本章前面幾節也多處提到了建立彈塑性分析模型時需要注意的問題,下面再詳細討論碰到不收斂問題時的主要解決方法:
1)無論是哪種類型的ABAQUS/Standard分析,如果分析根本無法開始,一定要查看DAT文件中是否有錯誤信息(error);如果分析可以開始,但無法收斂,一定要查看MSC文件中的警告信息( warning)。這些信息是指引用戶找出模型錯誤的重要參考。
2)當彈塑性分析無法收斂時,首先應該想到的就是,去掉塑性材料參數,先做最簡單的線彈性分析。如果這時分析同樣無法收斂,就說明不是塑性方面的問題,而是模型中存在其他方面的錯誤,例如,違背了接觸分析應遵守的基本原則。
不收斂有多種可能的原因,在很多情況下真正的錯誤原因并不是讀者所想象的那樣。無論是彈塑性分析還是其他任何類型的分析,當出現收斂問題時,最重要的解決方法就是簡化模型,去掉所有復雜的、自己不熟悉的模型參數。例如:
①如果使用了混凝土和橡膠等復雜材料,就先把它們改為普通的線彈性材料。
②如果定義了接觸,就先去掉所有接觸,添加適當的邊界條件來固定各個部件實體。
③如果模型中有多個部件,就只保留一個單獨的部件。
這樣一直簡化下去,直到模型能夠收斂為止,然后現逐步把簡化掉的模型參數恢復回來。如果發瑞在恢復某種參數時模型變得無法收斂,就很可能是這個參數存在問題。
上述查找錯誤的方法需要多次提交分析,反復嘗試。如果部件的形狀非常復雜,或模型的規模非常大,則每次提交都要花費大量的計算時間。此時,應該先做一個幾何形狀最簡單的模型,適當減少單元數量,或者使用平面應力、平面應變或軸對稱等二維模型,嘗試茂功后,再返回到真實模型中進行分析。
3)本書第16.2節“ABAQUS/Standard接觸分析中的警告信息”介紹了接觸分析中常見的多種警告信息和相應的處理方法,其中的大多數內容同樣適用于彈塑性分析,例如:
①在建立靜力分析模型時,必須在模型每個實體的所有平動和轉動自由度上定義足夠的邊界條件,以避免它們出現不確定的剛體位移。否則,就會在MSG文件中出現數值奇異(numerical singularity)或零主元(zero pivot)的警告信息。
②建立模型對應盡量利用對稱性,只取1/2、1/4甚至是1/8模型建模,以避免出現不確定的剛體位移,使整個模型的支承情況變得更加穩固,降低收斂的難度,減小模型的規模,縮短計算時間。
③如果能夠對模型指定位移值,就不要施加力載荷,這樣可以大大降低收斂的難度。
④如果需要施加力載荷,或者需要依靠摩擦來約束剛體的平動和轉動,應該首先利
用位移邊界條件讓接觸關系平穩地建Ⅱ起來,然后在下一個分析步中再施加力載荷。
4)如果模型在分析過程中會出現較大的位移,應該在Step功能模塊中打開幾何非線性開關(將Nlgeom設為ON)。
5)在輸人塑性材料數據時,應注意第17.2節“定義塑性材料參數”談到的問題,包括:
①要讓塑性數據最后一行中的塑性應變大于模型中可能出現的最大塑性應變值,并保證應力-應變曲線始終是向上傾斜的,即應該使用硬化模型,而不是理想彈塑性模型。
②真實應力的值應該是遞增的,不要包含出現頸縮后的數據點。
③不要輸入過多的數據對,應該只在材料試驗數據中選取幾十個有代表性的數據點,構成一條平滑的應力-應變曲線。
6)各個量的單位要保持一致,如果長度的單位是mm,則彈性模量和塑性參數中應力的單位都應該是MPa(即N/mm2),密度的單位應該是t/mm3.力的單位應該是N;如果長度的單位是m,則彈性模量和應力的單位都應該是Pa(即N/m2),密度的單位應該是kg/m3,力的單位應該是N,這樣做的原因詳見本書第1 .1. 2節“選取各個量的單位”。
如果上述單位不一致,造成模型中的載荷遠遠大于模型所能承受的載荷,模型的變形過大,分析自然就無法收斂。
7)即使模型中各個量的單位是正確的,同樣應該注意載荷的大小要符合工程實際,避免讓模型出現過大的超出實際的變形。
8)如果載荷會造成很大的局部應變(使用點載荷時尤其容易出現此問題),就可能造成收斂問題。因此,盡量不要對塑性材料施加點載荷,而是根據實際情況使用面載荷或線載荷。
如果必須在某個節點上施加點載荷,可以使用耦合約束(coupling constraint)為載荷作用點附近的幾個節點建立剮性連接,讓這些節點共同承擔點載荷,具體方法請參見本書第8.2.1節“集中載荷和彎矩載荷”。
9)只有對于重要的、塑性應變較大的區域,才需要將其定義為彈塑性材料。如果某個部件或部件上的某個區域幾乎不發生塑性變形,或者僅僅在很小的局部上發生塑性變形,而此區域并不是所關心的重要區域,就可以將其設置為線彈性材料(具體方法見本書第4.3節“材料屬性”),以便縮短計算時間,降低收斂難度。
例如,接觸面的邊緣處邊界條件奇異時,往往會出現很大的接觸應力,相應位置的單元容易出現較大的塑性變形,如果此區域遠離所關心的重要區域,就可以將其設置為線彈性材料。
如果某個部件的剛度遠遠大于其他部件,幾乎不會發生變形,就可以將其設為剛體。剛度大的原因可以是彈性模量大,或由于尺寸大、厚度大而非常堅實,常見的例子是金屬成形加工中的模具、夾具、沖頭、底座和刀具等。
10)在劃分網格和選擇單元類型時,應注意第17.3節“彈塑性分析的網格和單元”中討論過的問題,包括:
①在變形前和變形后,單元的形狀都要保持規則,不要發生嚴重扭曲。
②大變形區域的網格密度要適當,過粗或過細的網格都可能導致收斂問題。
③在彈塑性分析中盡量不要使用二次六面休單元(C3D20或C3 D20R),以避免出現體積自鎖現象。建議使用非協調單元(C3D81).一歡減縮積分單元(C3D8R)和修正的二次四面體單元( C3D10M)進行分析。
11)在有些情況下,不收斂的原因并不足建模方法不正確,而是模型本身的尺寸形狀不合理,材料無法流動。例如,圖17-11是一個模擬擠壓金屬坯料的模型,坯料應該在壓力作用下,向下運動穿過模具。比較以F兩種情況:
在圖17-11a中,模具斜坡處的傾角很小,而且轉折處沒有過渡圓弧,材料的流動受到極大的阻力,增大壓力載荷只會增大模具的支反力,并不會促使坯料向下運動。如果按照圖17-11a建模,無論如何改善網格密度、接觸定義或塑性材料參數,分析都不可能收斂,因為這樣的材料流動在工程實際中就是不可能的。
在圖17-11b中,增大了模具斜坡處的傾角,在轉折處增加了過渡圓弧,材料流動的阻力大大減小,如果建模參數合理,就可以收斂。(本文章轉載自石亦平老師書籍))
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