Abaqus基礎(chǔ)應(yīng)用——比較隱式與顯式過程

2013-08-14 by:CAE中心-Abaqus有限元組來源:仿真在線

Abaqus基礎(chǔ)應(yīng)用——比較隱式與顯式過程

ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit都有解決廣泛的各種類型問題的能力。對于一個給定的問題,隱式和顯式算法的特點(diǎn)決定了采用哪一種算法更適合。對于采用任何算法都可以解決的那些問題,求解問題的效率可能決定了采用哪種產(chǎn)品。理解隱式和顯式算法的特點(diǎn)有助于回答這個問題。表2-2列出了在兩種分析產(chǎn)品之間的主要區(qū)別,在本指南的相關(guān)章節(jié)中將詳細(xì)地討論。

表2-2 在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit之間的主要區(qū)別

參量	ABAQUS/Standard	ABAQUS/Explicit
單元庫	提供了豐富的單元庫。	提供了適用于顯式分析的豐富的單元庫,這些單元是在ABAQUS/Standard中單元的子集。
分析過程	一般過程和線性攝動過程。	一般過程。
材料模型	提供了廣泛的材料模型。	類似于在ABAQUS/Standard中的材料模型;一個顯著的區(qū)別是提供了允許材料失效的模型。
接觸公式	對于求解接觸問題,具有強(qiáng)健的的能力。	具有強(qiáng)健的接觸功能,甚至能夠解決最復(fù)雜的接觸模擬。
求解技術(shù)	應(yīng)用基于剛度的求解技術(shù),具有無條件穩(wěn)定性。	應(yīng)用顯式積分求解技術(shù),具有條件穩(wěn)定性。
磁盤空間和內(nèi)存	由于在增量步中大量的迭代,可能占用大量的磁盤空間和內(nèi)存。	磁盤空間和內(nèi)存的占用量相對于ABAQUS/Standard要小很多。

2.4.1 在隱式和顯式分析之間選擇

對于許多分析,應(yīng)用或者是ABAQUS/Standard或者是ABAQUS/Explicit必須是清楚的。例如,像在第8章“非線性”中演示的,對于求解光滑的非線性問題,ABAQUS/Standard是更有效的;另一方面,對于波的傳播分析,ABAQUS/Explicit是明確的選擇。然而,有一些靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)問題,應(yīng)用任何程序都能很好的進(jìn)行模擬。特別的是,有些問題一般使用ABAQUS/Standard進(jìn)行求解,但是由于接觸或者材料的復(fù)雜性,可能難以收斂,從而導(dǎo)致大量的迭代。因為每次迭代都需要求解由大量線性方程組成的方程組,這些使用ABAQUS/Standard的分析,其代價是相當(dāng)昂貴的。

ABAQUS/Standard必須進(jìn)行迭代才能確定非線性問題的解答,而ABAQUS/Explicit通過由前一增量步顯式地前推動力學(xué)狀態(tài),確定解答無需進(jìn)行迭代。應(yīng)用顯式方法,即便對于一個給定的可能需要大量的時間增量步的分析,如果同樣的分析應(yīng)用ABAQUS/Standard亦需要大量的迭代,應(yīng)用ABAQUS/Explicit進(jìn)行分析可能是更為有效的。

對于同樣的模擬,ABAQUS/Explicit的另一個優(yōu)點(diǎn)是它需要的磁盤空間和內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ABAQUS/Standard。對于可以比較兩個程序計算成本的問題,節(jié)省大量的磁盤空間和內(nèi)存使得ABAQUS/Explicit更具有吸引力。

2.4.2 在隱式和顯式分析中網(wǎng)格加密的成本

使用顯式方法,機(jī)時消耗與單元數(shù)量成正比,并且大致與最小單元的尺寸成反比。由于增加了單元的數(shù)量和減小了最小單元的尺寸,因此網(wǎng)格細(xì)劃增加了計算成本。作為一個例子,考慮由均勻的方形單元組成的一個三維模型,如果沿所有三個方向以2倍的因數(shù)細(xì)劃網(wǎng)格,作為單元數(shù)目增加的結(jié)果而增加的計算成本為2×2×2倍,而作為最小單元尺寸減小的結(jié)果而增加的計算成本為2倍。由于網(wǎng)格細(xì)劃,整個分析的計算成本增加為2⁴,或16倍。磁盤空間和內(nèi)存需求與單元數(shù)目成正比,與單元尺寸無關(guān);因此,這些需求增加為8倍。

對于顯式方法,可以很直接地預(yù)測隨著網(wǎng)格細(xì)劃帶來的成本增加,而當(dāng)采用隱式方法時,預(yù)測成本是非常困難的。困難來自于在單元連接和求解成本之間的關(guān)系,在顯式方法中不存在這種關(guān)系。應(yīng)用隱式方法,經(jīng)驗表明對于許多問題的計算成本大致與自由度數(shù)目的平方成正比。考慮一個采用均勻的、方形單元的三維模型的同樣例子,如果沿三個方向都以2倍的比例細(xì)劃網(wǎng)格,自由度的數(shù)目大致增加為2³倍,導(dǎo)致計算成本大約增加為倍,或64倍。盡管實際的增加難以預(yù)測,但是磁盤空間和內(nèi)存的需求將以同樣的方式增加。

只要網(wǎng)格是相對均勻的,隨著模型尺寸的增長,顯式方法表明比隱式方法節(jié)省了大量的計算成本。應(yīng)用顯式與隱式方法,圖2-17說明了計算成本與模型尺寸的比較。對于這個問題,自由度數(shù)目與單元數(shù)目成比例。

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小結(jié)

Ÿ ABAQUS/CAE可以用來創(chuàng)建完整的ABAQUS分析模型。分析產(chǎn)品(ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit)讀入由ABAQUS/CAE生成的輸入文件,進(jìn)行分析計算,給ABAQUS/CAE發(fā)回信息以便監(jiān)控作業(yè)進(jìn)程,并生成輸出數(shù)據(jù)庫。用戶使用Visualization(可視化)模塊閱讀輸出數(shù)據(jù)庫,并觀察分析運(yùn)算的結(jié)果。

Ÿ 一旦生成了模型,用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查(data check)分析。產(chǎn)生的錯誤和警告信息將打印到作業(yè)監(jiān)視器對話框中。

Ÿ 通過應(yīng)用在數(shù)據(jù)檢查階段生成的輸出數(shù)據(jù)庫文件,應(yīng)用ABAQUS/CAE中Visualization模塊,檢驗圖形化的模型幾何形狀和邊界條件。

Ÿ 總是要檢查結(jié)果是否滿足工程基本原理,諸如平衡。

Ÿ ABAQUS/CAE中Visualization模塊允許用戶以各種方式觀察圖形化的分析結(jié)果,并也允許用戶撰寫表格數(shù)據(jù)報告。

Ÿ 在應(yīng)用隱式或者顯式之間的選擇,很大程度上依賴于問題的性質(zhì)。

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