技术干货丨OptiStruct和Radioss谁更强？插接件的非线性分析

接插件

（绿色部件为固定端插座，红色部件为移动端插头）

上图所示的绿色部件为固定端插座，红色部件为移动端插头；该接插件的边界条件如下图所示：

• 边界约束：绿色插座端全约束，红色插头右侧端也进行123456全约束（由于载荷为强制位移，因此在强制位移自由度3方向也要进行虚约束）；

• 载荷：红色插头端施加SPCD强制位移6mm，方向为3；

• 接触：分别在插座的凹槽内部和插头的外表面建立contactsurf（接触单元），并将绿色部件插座作为接触主面，将红色插头部件作为接触从面（后面将会对此做详细介绍）；

插头在插入过程中会涉及到非线性计算，针对于此本文分别采用了隐式静态非线性，隐式瞬态非线性和显式非线性计算解决该问题，其中涉及OptiStruct和Radioss两种求解器，接下来的内容将分别介绍这四种分析方法（包含两种OptiStruct和Radioss两种不同显式求解方法）。

本模型在OptiStruct的静态非线性计算中会涉及结构（几何）非线性和接触非线性；因此该模型中采用的非线性卡片主要有NLPARM、NLADAPT、CONTACT以及PCONT，下面将介绍卡片在该模型中的设置；

NLPARM卡片设置如下图所示：

NLPARM卡片设置

模型最大迭代次数设置默认值25，收敛准则采用UPW位移载荷能量收敛，其容差分别为。

NLADAPT卡片设置如下图所示：

NLADAPT卡片设置

允许削减时间步长的次数（NCUTS）一般默认5，最大时间步长DTMAX设置为0.05，在自动时间步长控制下，载荷增量步不能超过0.05；最小时间步长DTMIN未设置，将采用默认值为，如若时间步长小于该值，计算将报错不收敛；NLADAPT中STABILIZE为限制能量稳定参数，有助于计算收敛，此处设置为0.001。

CONTACT卡片设置如下图所示：

CONTACT卡片设置

在CONTACT中将凹面作为主面，因此插座为接触主面，插头为接触从面；ADJUST设置为AUTO，使处在搜索范围内的从节面和主面在初始计算时刻被认定为接触状态，AUTO的搜索范围为主面5%的平均边长；DISCRETE选取S2S，即面面接触保证接触精度；TRACK选取CONSLI即连续大滑移，CORNER选取AUTO即接触折角处在30°时断开成为两个面片。

PCONT卡片设置如下图所示：

PCONT卡片设置

PCONT中的接触刚度STIFF设置为AUTO，根据接触对周围单元刚度计算接触刚度，摩擦系数设置为0.15，接触可分离SEPARATION设置为YES。

按照以上四个卡片设置提交计算，计算进行到第24个载荷增量的时候因为达到计算最小时间步长而报错退出，计算未能收敛，如下图所示：

out文件信息

上图的out文件可看出第24载荷步迭代计算时其接触对个数发生了较大的变化，对于接触稳定且收敛的模型来说这是不应该发生的，初步判断是接触收敛性问题，再结合nl.out文件信息，如下图所示：

nl.out文件信息

从nl.out文件第三个迭代步给出的信息可以看出接触对搜寻失败，接触单元未能创建成功，因此更加确定该计算未收敛是由接触原因造成；连续大滑移接触收敛需要从接触刚度参数进行调试，在PCONT卡片中可以尝试将接触刚度STIFF由AUTO改为SOFT，即适当降低接触刚度帮助计算收敛，如下图所示：

PCONT卡片修改

经过修改后计算完成后的结果动画如下图所示：

OptiStruct隐式静态分析结果动画

该案例在隐式动态非线性的分析设置和准静态设置大部分卡片保持一致，仅需要增加TLOAD1动态载荷卡片和TSTEP瞬态时间步长参数卡片，TLOAD1只需引用SPCD强制位移和加载去选TABLED1即可，模型中TSTEP卡片设置如下图所示：

TSTEP卡片设置

卡片TSTEP中的N表示时间步长DT的数目，此处可以看到时间步长设置为0.05，总步数为80，那么总的仿真时间4秒；N0表示略过的输出因子，每隔N0的时间步将被保存，此处默认为1；W3表示感兴趣的频率下，将全局结构阻尼转换成等效粘性阻尼，W4表示感兴趣的频率下，将单元结构阻尼转换成等效粘性阻尼，此处两个参数均默认；

TMTD时间积分选择方式，分别有广义的α法和后退的欧拉法，TMTD=1表示广义的α法，TMTD=2表示后退的欧拉法，当选用TMTD=1广义的α法时，启用TSTEP中TC1，TC2，TC3和TC4参数控制数值阻尼，当选用TMTD=2后退的欧拉法时，启用TSTEP中ALPHA和BETA参数控制瑞利阻尼；

本案例采用TMTD=1广义的α法，阻尼控制参数默认，即TC1=-0.05，TC2=0.2756，TC3=0.55，TC4=0.0；

TSTEP中的MREF为控制Automatic Time Stepping（自动时间步长）开启和关闭的卡片，MREF=1表示开启，MREF=0表示关闭，本案例则选择启用自动时间步长；TSTEP中的TOL表示瞬态工况自动时间步长的截断容差参考值，此处选择默认值1；TSTEP中的TN1表示单个时间步中允许削减时间步长的次数，TN2表示求解时间步增大前，应收到的最小请求次数；本案例中TN1和TN2均默认设置，分别取值为5和1；

TSTEP卡片中的TOL，TN1和TN2该三个参数选项的配置可以控制瞬态非线性分析中的时间步长（Load Increment）和所允许削减时间步长的次数（No. of Cut Back），该功能和NLPARM卡片中的收敛容差及NLADAPT中的NCUTS一样。

换句话说，在开启了Automatic Time Stepping（自动时间步长）的瞬态非线性分析中有两个收敛准则和CUTBACK控制，分别由TSTEP中的TOL，TN1和TN2，以及NLPARM和NLADAPT决定。

这里介绍下TSTEP中的TOL收敛准则及时间步长调整约束条件，详细如下：

误差时间步长调整策略表

计算过程中产生的err_da（加速度误差）即为上述表格中的error，它将根据err_da（加速度误差）所在状态去执行时间步长的调整；基于瞬态非线性分析的计算结果如下图所示：

OptiStruct瞬态分析结果动画

在OptiStruct中的显式求解模板下，其单元类型、属性、材料及接触卡片均和隐式瞬态分析的卡片相同，仅需将隐式非线性时间步控制卡片TSTEP替换为显式非线性时间控制卡片TSTEPE，其设置如下图所示：

TSTPE卡片设置

在TSTEPE卡片中，TYPE类型默认选择单元，此处将为单元设定最小时间步长，在DTFAC中填写0.9，即最小时间步长缩放系数为0.9；在DTMIN中设置 5e^-8 秒作为该显式分析的最小时间步，为保证合理质量误差，因此该数值不可填写过大。

此外为保证模型合理的最小时间步长，对显式模板下的网格进行了调整，其网格尺寸大于隐式分析的网格尺寸，最后计算的质量误差为 6%，在可接受范围内；最后基于OptiStruct显式非线性分析的结果如下图所示：

OptiStruct显式力分析结果动画

在Radioss模板下，模型的仿真时间设定为0.1秒，其单元尺寸和OptiStruct中的尺寸保持一致，单元尺寸设定的最小时间步长为 5e^-8 秒；这里主要介绍单元属性选择和接触对的设置，单元属性采用P14_SOLID类型（本模型采用实体TETRA4单元），具体设置如下图所示：

P14_SOLID属性卡片设置

P14_SOLID一般用于定义实体单元属性，Isolid选取24表示8节点的实体元缩减积分单，该缩减积分单元采用单高斯积分点，能够保证物理沙漏能稳定即满足精度的同时提升计算效率；Ismstr选取2表示使用完全几何非线性的大应变模式，在必要的情况下会切换至小应变模式；Itetra4选取1表示为一阶四面体单元定义六自由度的二阶全积分单元，保证四面体的计算精度。

模型采用的接触卡片及设置如下图所示：

TYPE24接触卡片设置

由于本模型不涉及大变形和大应变问题，因此选择TYPE24线性罚函数接触能够有效兼顾结果精度和计算效率（该接触类型不会影响时间步长）。

Istf接触刚度选取4即根据较软的材料设置接触刚度，Iedge选取1即使用外部曲面边界激活边对边接触，这样可以良好应对本案例中的接触类型；Stmin设置为1000N/mm（最小接触刚度），指定一个最小接触刚度以防止出现过软接触；Inacti选取5即根据初始穿透值移动接触主面；最后计算结果的质量误差为 2.8%; 在可接受范围，基于Radioss显式计算的结果如下图所示：

Radioss显式动力分析结果动画

注：Radioss解采用了材料非线性，因此应力云图和OptiStruct求解器有所不同。

隐式静态非线性、隐式动态非线性和显式动态非线性均能解决接插件的非线性问题，且求解结果动画基本一致，其较大的区别在于求解时间，详细信息如下表所示：

不同求解器分析对比

由上表可以看出，在处理非线性问题时，OS静态非线性求解器用时最少，其次是OS瞬态非线性；而在显式模板下，由于网格尺寸进行了增大以保证计算速度，因此OptiStruct和Radioss动态非线性用时降低，在相同计算资源情况下Radioss速度较快；然而从收敛性上来讲，隐式静态非线性最难收敛，其次是瞬态非线性，最容易调试收敛的是显式动态非线性。

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