Abaqus基礎應用——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基礎應用——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品。理解隱式和顯式算法的特點有助于回答這個問題。表2-2列出了在兩種分析產品之間的主要區別,在本指南的相關章節中將詳細地討論。

表2-2 在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit之間的主要區別

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,具有強健的的能力。	具有強健的接觸功能,甚至能夠解決最復雜的接觸模擬。
求解技術	應用基于剛度的求解技術,具有無條件穩定性。	應用顯式積分求解技術,具有條件穩定性。
磁盤空間和內存	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存。	磁盤空間和內存的占用量相對于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,有一些靜態或準靜態問題,應用任何程序都能很好的進行模擬。特別的是,有些問題一般使用ABAQUS/Standard進行求解,但是由于接觸或者材料的復雜性,可能難以收斂,從而導致大量的迭代。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,其代價是相當昂貴的。

ABAQUS/Standard必須進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狀態,確定解答無需進行迭代。應用顯式方法,即便對于一個給定的可能需要大量的時間增量步的分析,如果同樣的分析應用ABAQUS/Standard亦需要大量的迭代,應用ABAQUS/Explicit進行分析可能是更為有效的。

對于同樣的模擬,ABAQUS/Explicit的另一個優點是它需要的磁盤空間和內存遠遠小于ABAQUS/Standard。對于可以比較兩個程序計算成本的問題,節省大量的磁盤空間和內存使得ABAQUS/Explicit更具有吸引力。

2.4.2 在隱式和顯式分析中網格加密的成本

使用顯式方法,機時消耗與單元數量成正比,并且大致與最小單元的尺寸成反比。由于增加了單元的數量和減小了最小單元的尺寸,因此網格細劃增加了計算成本。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倍的因數細劃網格,作為單元數目增加的結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果而增加的計算成本為2倍。由于網格細劃,整個分析的計算成本增加為2⁴,或16倍。磁盤空間和內存需求與單元數目成正比,與單元尺寸無關;因此,這些需求增加為8倍。

對于顯式方法,可以很直接地預測隨著網格細劃帶來的成本增加,而當采用隱式方法時,預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系,在顯式方法中不存在這種關系。應用隱式方法,經驗表明對于許多問題的計算成本大致與自由度數目的平方成正比。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倍的比例細劃網格,自由度的數目大致增加為2³倍,導致計算成本大約增加為倍,或64倍。盡管實際的增加難以預測,但是磁盤空間和內存的需求將以同樣的方式增加。

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

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小結

Ÿ ABAQUS/CAE可以用來創建完整的ABAQUS分析模型。分析產品(ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit)讀入由ABAQUS/CAE生成的輸入文件,進行分析計算,給ABAQUS/CAE發回信息以便監控作業進程,并生成輸出數據庫。用戶使用Visualization(可視化)模塊閱讀輸出數據庫,并觀察分析運算的結果。

Ÿ 一旦生成了模型,用戶可以進行數據檢查(data check)分析。產生的錯誤和警告信息將打印到作業監視器對話框中。

Ÿ 通過應用在數據檢查階段生成的輸出數據庫文件,應用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果,并也允許用戶撰寫表格數據報告。

Ÿ 在應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。

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