连载（10）：缩短分析时间，提高分析效率的技巧
以下内容来自《Abaqus 有限元分析常见问题解答与实用技巧》
提高求解精度和缩短计算时间是有限元分析的两个重要目标，而这二者往往互相矛盾，缩短计算时间通常要以牺牲计算精度作为代价。如何根据不同的问题类型和求解要求，建立最合理的模型，用尽量短的计算时间得到足够准确的结果，是有限元分析过程中的重要问题之一。
影响分析时间的因素主要包括下列几个方面：
（1）分析类型
二维平面应力、平面应变和轴对称问题要比三维问题的模型规模小得多，如果所分析的问题符合二维模型的特征，就一定不要要建立三维模型。如果模型具有对称性，则一定利用对称性建模，施加对称边界条件，让分析模型的节点、单元和自由度数量大大减少，以提高分析效率。
根据弹性力学课程相关知识，下列两类问题可以简化为平面问题：
（1）平面应力问题需要满足下列条件（图1-27）：
1）等厚度薄板；
2）体力 、作用于体内，且平行于xy面，沿板厚不变；
3）面力、作用于板边，且平行于xy面，沿板厚不变；
4）约束、作用于板边，且平行于xy面，沿板厚不变。
图1-27 平面应力问题示意图
（2）平面应变问题需要满足下列条件（图1-28）：
1）很长的常截面柱体；
2）体力、作用于体内，且平行于xy面，沿长度方向不变；
3）面力、作用于柱面，且平行于xy面，沿长度方向不变；
4）约束、作用于柱面，且平行于xy面，沿长度方向不变。
图1-28 平面应变问题示意图
此外，非线性分析比线性分析迭代收敛难度更大，如果在模型中定义了接触、几何非线性、弹塑性材料等非线性参数，计算时间也会大大增加。
（2）分析对象和范围
有限元分析过程中，分析对象的选取也至关重要。如果关心的是梁柱节点的分析结果，就不必建立整层楼的有限元模型；如果关心的是应力集中区域的应力结果，仅对该区域进行网格细化，而无需对整个区域划分细化网格；如果仅关心接触区域的分析结果，在定义输出结果时，将区域 Domain 选为 Interaction 即可（如图1-29所示）。
图1-29 设置输出分析结果区域为Interaction
（3）网格密度
网格越细化，单元和节点数目就越多，分析时间也就越长。究竟选择多大的网格尺寸合适，读者需要进行单元有效性验证。当单元数量增加到一定程度后，分析结果的精度增加很小，而计算代价又非常大，此时可以选择较粗网格作为单元的有效网格。
（4）单元类型
对于同样的网格密度，二次单元（例如，C3D20R）比线性单元（例如，C3D8R）增加了很多内部节点，计算时间会大大增加；完全积分单元（例如，C3D8）和非协调单元（例如，C3D8I）的积分点比减缩积分单元（例如，C3D8R）的积分点多，计算时间也相对更长。
（5）接触
接触面上的节点越多，计算时间就越长。有限滑移接触算法（finite sliding）比小滑移接触算法（small sliding）的计算量大，计算时间也更长。
（6）分析步时间、增量步和迭代步
在静力分析中，分析步时间没有实际的物理含义，计算时间取决于迭代和增量步的数量。问题越复杂，收敛难度越大，增量步长就越小，需要的迭代次数也就越多，计算时间就越长。
在动力分析中，分析步时间对应实际的物理时间，分析步时间越长，则求解时间越长。一般情况下，在 Abaqus / Explicit 分析中都只定义很短的分析步时间（例如，0.02 s），否则可能计算时间过长。
另外，影响 Abaqus / Explicit 分析时间的关键因素是稳定极限值，该值取决于最小单元尺寸、材料性质、材料密度、单元类型等因素，详见本书第16.4.2节“Abaqus / Explicit 分析的增量步长”。
（7）计算机性能
增大内存可以大大缩短 Abaqus / Standard求解器的分析时间，而对 Abaqus / Explicit求解器的分析时间影响不大。提高 CPU 的主频、使用多 CPU 或并行计算对加快 Abaqus / Standard 和 Abaqus / Explicit 的分析速度都很有效。
