Abaqus基础应用——比较隐式与显式过程

2013-08-14 by:CAE中心-Abaqus有限元组来源:仿真在线

Abaqus基础应用——比较隐式与显式过程

ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit都有解决广泛的各种类型问题的能力。对于一个给定的问题,隐式和显式算法的特点决定了采用哪一种算法更适合。对于采用任何算法都可以解决的那些问题,求解问题的效率可能决定了采用哪种产品。理解隐式和显式算法的特点有助于回答这个问题。表2-2列出了在两种分析产品之间的主要区别,在本指南的相关章节中将详细地讨论。

表2-2 在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit之间的主要区别

参量	ABAQUS/Standard	ABAQUS/Explicit
单元库	提供了丰富的单元库。	提供了适用于显式分析的丰富的单元库,这些单元是在ABAQUS/Standard中单元的子集。
分析过程	一般过程和线性摄动过程。	一般过程。
材料模型	提供了广泛的材料模型。	类似于在ABAQUS/Standard中的材料模型;一个显著的区别是提供了允许材料失效的模型。
接触公式	对于求解接触问题,具有强健的的能力。	具有强健的接触功能,甚至能够解决最复杂的接触模拟。
求解技术	应用基于刚度的求解技术,具有无条件稳定性。	应用显式积分求解技术,具有条件稳定性。
磁盘空间和内存	由于在增量步中大量的迭代,可能占用大量的磁盘空间和内存。	磁盘空间和内存的占用量相对于ABAQUS/Standard要小很多。

2.4.1 在隐式和显式分析之间选择

对于许多分析,应用或者是ABAQUS/Standard或者是ABAQUS/Explicit必须是清楚的。例如,像在第8章“非线性”中演示的,对于求解光滑的非线性问题,ABAQUS/Standard是更有效的;另一方面,对于波的传播分析,ABAQUS/Explicit是明确的选择。然而,有一些静态或准静态问题,应用任何程序都能很好的进行模拟。特别的是,有些问题一般使用ABAQUS/Standard进行求解,但是由于接触或者材料的复杂性,可能难以收敛,从而导致大量的迭代。因为每次迭代都需要求解由大量线性方程组成的方程组,这些使用ABAQUS/Standard的分析,其代价是相当昂贵的。

ABAQUS/Standard必须进行迭代才能确定非线性问题的解答,而ABAQUS/Explicit通过由前一增量步显式地前推动力学状态,确定解答无需进行迭代。应用显式方法,即便对于一个给定的可能需要大量的时间增量步的分析,如果同样的分析应用ABAQUS/Standard亦需要大量的迭代,应用ABAQUS/Explicit进行分析可能是更为有效的。

对于同样的模拟,ABAQUS/Explicit的另一个优点是它需要的磁盘空间和内存远远小于ABAQUS/Standard。对于可以比较两个程序计算成本的问题,节省大量的磁盘空间和内存使得ABAQUS/Explicit更具有吸引力。

2.4.2 在隐式和显式分析中网格加密的成本

使用显式方法,机时消耗与单元数量成正比,并且大致与最小单元的尺寸成反比。由于增加了单元的数量和减小了最小单元的尺寸,因此网格细划增加了计算成本。作为一个例子,考虑由均匀的方形单元组成的一个三维模型,如果沿所有三个方向以2倍的因数细划网格,作为单元数目增加的结果而增加的计算成本为2×2×2倍,而作为最小单元尺寸减小的结果而增加的计算成本为2倍。由于网格细划,整个分析的计算成本增加为2⁴,或16倍。磁盘空间和内存需求与单元数目成正比,与单元尺寸无关;因此,这些需求增加为8倍。

对于显式方法,可以很直接地预测随着网格细划带来的成本增加,而当采用隐式方法时,预测成本是非常困难的。困难来自于在单元连接和求解成本之间的关系,在显式方法中不存在这种关系。应用隐式方法,经验表明对于许多问题的计算成本大致与自由度数目的平方成正比。考虑一个采用均匀的、方形单元的三维模型的同样例子,如果沿三个方向都以2倍的比例细划网格,自由度的数目大致增加为2³倍,导致计算成本大约增加为倍,或64倍。尽管实际的增加难以预测,但是磁盘空间和内存的需求将以同样的方式增加。

只要网格是相对均匀的,随着模型尺寸的增长,显式方法表明比隐式方法节省了大量的计算成本。应用显式与隐式方法,图2-17说明了计算成本与模型尺寸的比较。对于这个问题,自由度数目与单元数目成比例。

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小结

Ÿ ABAQUS/CAE可以用来创建完整的ABAQUS分析模型。分析产品(ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit)读入由ABAQUS/CAE生成的输入文件,进行分析计算,给ABAQUS/CAE发回信息以便监控作业进程,并生成输出数据库。用户使用Visualization(可视化)模块阅读输出数据库,并观察分析运算的结果。

Ÿ 一旦生成了模型,用户可以进行数据检查(data check)分析。产生的错误和警告信息将打印到作业监视器对话框中。

Ÿ 通过应用在数据检查阶段生成的输出数据库文件,应用ABAQUS/CAE中Visualization模块,检验图形化的模型几何形状和边界条件。

Ÿ 总是要检查结果是否满足工程基本原理,诸如平衡。

Ÿ ABAQUS/CAE中Visualization模块允许用户以各种方式观察图形化的分析结果,并也允许用户撰写表格数据报告。

Ÿ 在应用隐式或者显式之间的选择,很大程度上依赖于问题的性质。

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