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Ansys Workbench工程应用之——结构非线性(终):收敛方法总结

2年前浏览4719

本文作为非线性系列文章的终章,也作为静力学系列文章的终章,本文内容主要摘抄自周老师的《Ansys Workbench有限元分析实例详解》。

1 非线性收敛方法总结

非线性求解不收敛主要表现为4种形式:刚体运动,系统力不平衡,材料不稳定,单元匹配误差。

1.1 刚体运动

在求解信息中提示内部幅值超限(Internal solution magnitude limit was exceeded),或者DOF limit exceede...,Small/Negative Pivot error...,Negative main diagonal...,Max DOF INC=A very large number...等错误或警告,即表示系统有刚体平移,导致求解不收敛或无意义。在结果中查看最终(或不收敛结果的前一步)变形,会发现存在非常夸张的变形。

导致刚体运动的主要原因有约束不足、连接接触关系不足、耦合不正确(比如不同自由度的单元使用了Form New Parts组合)等。

刚体运动在不收敛问题中属于比较好检查的,可以通过模特分析找出0HZ的振形查看不足的约束,或者在结果变形中查看夸张的变形,补齐相应的约束与接触即可。常见处理方法如下。

序号

问题

可选择的处理方法

备注

1

对称模型不收敛

推荐轴对称模型或实体对称模型等简化。

需要边界、接触等都对称

2

复杂装配体不收敛

将处于压缩状态的接触简化为绑定,能收敛后再一一修改为非线性接触。


3

力加载不收敛

  1. 改为位移加载

2,力加载+非线性稳定性控制


4

屈曲问题不收敛

  1. 力加载时:重启+非线性稳定性控制

  2. 力加载改为位移加载

  3. 弧长法


5

初始接触间隙导致不收敛

1,Adjust to touch

2,力加载时:接触稳定性控制

3,力加载改为位移加载


此外,应尽量避免使用弱弹簧,因为有时弱弹簧会使刚体平移难以被快速检查出来,反而计算出不正确的结果。

1.2 系统的力不平衡

在求解信息——力收敛中可查看力收敛图。紫色线表示计算的力残差,蓝色线表示力收敛容差,只有当力残差小于收敛容差时,才表示系统的力达到平衡要求,子步才完成收敛。

导致系统力不平衡的因素有:接触刚度太大导致震荡,收敛容差太小,加载太迅速,材料不稳定,结构屈曲失稳等,解决方法如下表。

序号

问题

可选择的处理方法

备注

1

接触刚度太大

1,减小接触刚度

2,增加分析步

3,定义刚度更新为每次迭代

4,界面处理更改为斜坡加载

5,加大弹球半径,接触处网格细化等


2

收敛容差太小

非线性控制中默认的收敛容差是0.5%,在不影响计算精度前提下可适当调整

一般不修改

3

加载太迅速

增加子步数量


4

材料不稳定

见1.3


5

结构屈曲失稳

见1.1


1.3 材料不稳定

材料不稳定往往伴随着其他收敛问题,所以关键需要区分导致不收敛的原因。例如,不收敛时查看力收敛结果,如果残余力非常大,一般是系统力不平衡所致;又如,模型发生高度翘曲、发生负体积进而导致不收敛,一般也不是材料的问题。

主要原因:计算塑性、超弹性、蠕变等本构时应变增量太大;选用不合适的本构模型。

处理方法:选择合适的本构模型,选择合适的单元参数,增加子步。

1.4 单元不匹配

单元匹配误差相比前三种情况,问题出现在更深层,一般不会有明显的提示。主要表现为:模型高度翘曲、极大应变、体积自锁、沙漏现象、屈曲等。

处理方法:计算前使用Check命令检查,包括遗失的弹性特性、无约束的模型和单元形状检查,使用Mcheck命令检查网格中的孔洞和裂纹等缺陷;一般采用高阶单元计算更快更准确;对于Shell模型尽量全部采用四边形网格,可避免三角形网格计算出现的噪点误差;优先选用Direct (Sparse) Solver;尽可能增加子步;针对密封或材料成形等大应变分析使用Rezoning;对超弹性、大蠕变分析可以尝试将模型仅仅划分为一个单元。

注意,收敛完成并非万事大吉,还必须校核计算结果的准确性。可通过以下方法检查。

序号

检查项目

检查内容

1

已知条件检查

检查模型单位,材料参数及单位,二维模型类型,单元类型,边界条件的大小、方向及单位,是否遗漏接触,接触类型的定义,时间步设置,大变形开关是否打开,收敛准则的定义等。

2

网格检查

包括网格数量和网格质量的检查。网格数量检查:实体模型厚度至少有3层网格,圆周至少要有40份。网格质量检查:单元体积必须大于0,Element Quality大于10-4 (Standard)或 10-2 (Aggressive), Jacobian Ratio 小于40 等。

3

变形检查

检查支反力与载荷是否大小相等,方向相反;查看弱弹簧反力,是否足够小,对整个系统无影响。

4

平均应力与非平均应力检查

平均应力与非平均应力应力之差应趋于0,不超过5%。

5

应力奇异点检查

如果应力奇异点远离分析关注的区域,可以直接将其忽略;如果应力奇异点位于分析关注的区域,可采用三种方法处理:

①模型倒角或倒圆之后,利用子模型重新分析;

②用等效压力载荷代替集中点载荷;

③定义节点集,对其施加位移约束。

2 静力学学习总结

我看了下第一篇发的笔记,是2021年5月,现在完结的时间是2022年11月,静力学部分总共学习了1年半时间,学习版本也从WB18升级到2021R2。在这期间,认识了很多同道中人,也学习了很多知识,感谢大家的关注与陪伴。

以下文章均在仿真秀平台可查找。

静力学部分的一些坑还没有填,比如如何划分结构化网格,因为经过图惜的研究,发现结构相关的工程问题可能用不到结构化网格,普通质量的网格已经能完全应对,正如教主和一些老师所说,网格自动化划分是最有可能被软件取代的,何必花大量时间去学习呢,还有一个重要原因是WB的mesh模块功能越来越强大,操作越来越简单,真正让结构分析重点回归到工程问题,而不是数字网格上。(流体等问题另当别论,我也不懂。)

当然,图惜的总结都是一些基础性的知识,主要参考了周老师的《Ansys Workbench有限元分析实例详解》和一些其他书籍、视频、文章。很多问题并没有更深入的研究。由于图惜的知识和实践经验实在有限,所写文章也难免纰漏百出,敬请批评指正。

将来图惜还会继续和大家一起学习动力学相关内容,但是笔记风格可能改变下,毕竟长篇大论看的让人头痛。

很多朋友在问图惜的学习经历,下一期就写一篇有限元学习之路的水文吧,没有一点点理论和工程知识,也不植入广告,也不推荐书籍教程,只当朋友一样一边喝酒一边扯把子(四川话:吹牛)侃侃学习经历,敬请关注。

参考文献:
  1. 《Ansys Workbench有限元分析实例详解》——周炬、苏金英

  2. ANSYS 2022帮助文件     

来源:CAE中学生
Workbench静力学非线性裂纹理论材料控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-11-02
最近编辑:2年前
CAE无剑
硕士 | 仿真工程师 CAE中学生
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