Abaqus和OptiStruct求解器的随机分析仿真方法和结果差异研究

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了OptiStruct求解器的随机分析方法，并与Abaqus的随机分析进行了对比。随机分析本质上是频响分析，但加入了随机激励的PSD谱，输出的应力、位移等也是随机量。文中详细说明了OptiStruct中随机分析的设置步骤，包括强迫运动的定义、功率谱的加载和工况的定义。通过对比Abaqus和OptiStruct在随机分析中的模态差异和单元应力结果差异，发现两者在随机分析的常用方法上几乎一致，但结果存在细微差距，但差距较小，表明不同求解器之间存在细微差别。此外，文章还强调了仿真对标的重要性，并指出仿真结果的稳定性更为重要。

随机分析算是一种比较复杂的仿真工况，不同的求解器随机分析的设置均有差异，本文将研究Abaqus和OptiStrcut求解器在随机分析中的结果差异。

1. 模型说明

如图，测试模型选取一个简单的车身翼子板，翼子板空间位置为水平放倒，即翼子板平面法向为Z向。翼子板与车身连接的地方全约束，约束位置加载Z向的加速度的功率谱密度，PSD谱加载电池包振动疲劳的国标，如下图所示。

2. Abaqus的随机分析

abaqus的随机分析本质还是在基于模态的强迫运动上，加入随机分析的PSD载荷，所以工况设置主要有两步：

第一，用LANCZOS方法提取模型在全约束状态下的约束模态：

*STEP,NAME=Modal,NLGEOM=NO,PERTURBATION*FREQUENCY, EIGENSOLVER=LANCZOS, NORMALIZATION=MASS, SIM, ACOUSTIC COUPLING=ON  ,0.1,400.,,,*BOUNDARY1010, 1, 6*END STEP

上述，1010为模型中的rigid单元的主动点，提取的模态上限为400Hz。

第二，开始定义随时分析的工况步。

由于是基于模态的强迫运动，使用的是*MODAL DAMPING关键字定义模态阻尼：

*MODAL DAMPING, VISCOUS=FRACTION OF CRITICAL DAMPING, DEFINITION=FREQUENCY RANGE  0.0, 0.035  400.0, 0.035

使用*BASE MOTION定义强迫运动：

*BASE MOTION, TYPE=ACCELERATION, DOF=3, SCALE=1.0, LOAD CASE=1

同时，使用*PSD-DEFINITION来定义PSD谱，使用*CORRELATION定义PSD谱之间的相关性，由于只有一个激励点，所以是无相关的。

*PSD-DEFINITION, NAME=psd, TYPE=BASE, G=9810.00.05, 0.0, 5.00.06, 0.0, 10.00.06, 0.0, 20.00.0008, 0.0, 200.0*CORRELATION, PSD=psd, TYPE=UNCORRELATED, COMPLEX=NO1, 1.0

最后，在工况定义中，还需要定义提取的频响范围，使用*RANDOM RESPONSE关键字定义即可，我们提取的10-200Hz之间，没间隔1Hz提取一个结果，线性提取：

*RANDOM RESPONSE10.0, 200.0, 191, 1.0, 1

最后就是该工况步的输出设置，输出单元和节点的均方根值即可，略。

3. OptiStruct的随机分析

同Abaqus的一样，OptiStrcut求解器的随机分析本质上还是频响分析，只不过加入了随机激励的PSD谱，最后输出的单元节点的应力、位移等也是随机量。

第一，强迫运动的定义

基于模态的频响分析，并且强迫运动的加速度为1G。首先使用EIGRL提取模型的约束模态，使用SPCD定义强迫运动的激励点，TABLED1定义强迫运动的扫频的加速度大小，RLOAD1来组装载荷，TABDMP1定义模态阻尼，FREQ1定义提取的频响分析的结果范围。主要关键字的设置如下：

RLOAD1      3003    2003                    1001       0    ACCEEIGRL         10     0.0   400.0                                    MASSFREQ1         30    10.0     1.0     190SPCD        2003    1010       3     1.0SPC           70    1010  123456     0.0TABDMP1       40       G             0.0    0.07   800.0    0.07ENDTTABLED1     1001  LINEAR  LINEAR             5.0  9800.0   400.0  9800.0ENDT

第二，功率谱的加载和工况的定义

TABRND1定义PSD功率谱，RANDPS定义功率谱之间的相关性：

RANDPS        60       3       3     1.0     0.0    8003TABRND1     8003     LOG     LOG             5.0    0.05    10.0    0.06    20.0    0.06   200.0  0.0008        ENDT

最后是相关工况的定义，主要有随机分析和功率谱的输出：

SUBCASE       1  LABEL= 9999: ZANALYSIS RANDOM  RANDOM = 60  STRESS(SORT1,PLOT,PHASE,VONMISES,BILIN,RALL,NORPRINT) = ALLSUBCASE    3  LABEL= 1010: Z  DLOAD =     3003

4. Abaqus和OptiStruct的随机分析的结果差异

两者在随机分析的常用方法上几乎是一样的，但结果还是有一些差异。

第一，首先是最基础的模态差异：

如上表，模型在全约束状态下，均采用LANCZOS发提取模态，也均设置为质量归一，400Hz内均提取到了12阶模态，两者之间的差异在1%左右，并且模态振型没有区别（左侧是abaqus，右侧为optistrcut）：

第二，单元的应力结果差异

随机分析的结果具有统计学上的概念，由于激励就是加速度的功率谱密度函数，所以仿真的单元的应力结果也是vonMises应力的功率谱密度函数，最终查看的应该是RMS值，即均方根值，即直接的结果曲线与横坐标围成的面积的大小，实际计算的时候应该是PSD曲线与横坐标围成的面积进行开根号。

我们就选择该单元，关注的频率段10-200Hz内提取其VonMises应力的RMS值，两个软件的结果进行对比，结果如下：

可以看到，在整个频率段内，其RMS结果值随着频率的增加而增加，并且值比较接近，早200Hz时候，Abaqus求解器的RMS值为6.21MPa，而OptiStruct的RMS值为5.99MPa，差距大概在3.54%以内。

5. 结论

随机分析工况在Abaqus和OptiStrcut求解器之中仿真结果有细微差距，但差距较小，表明不同的求解器之间还是有细微的差别，这也从另外一个侧面说明，与试验对标，对的不是绝对的吻合度，更重要的可能是仿真的稳定性。