ABAQUS学习笔记7——ABAQUS/Explicit准静态分析

显式求解方法:一种真正的动态求解过程,其最初发展是为了模拟高速冲击问题(惯性发挥了主导性作用)。当求解动力平衡状态时,非平衡力以应力波的形式在相邻单元之间传播。由于最小稳定时间增量一般是非常小的值,所以 大多数问题需要大量的时间增量步。
将显示动态过程应用于准静态问题需要的特殊考虑:为了获得较经济的解答,必须采取一些方式来加速问题的模拟,因为根据定义,一个静态求解是一个长时间的求解过程,在其固有的时间尺度上分析模拟常常在计算上是不切实际的,它将需要大量的小的时间增量。
带来的问题:随着加载速度的增加,静态平衡的状态卷入了动力学的因素,惯性力的影响更加显著。
准静态(quasi-static)分析的目标:在保持惯性力的影响不显著的前提下,用最短的时间进行模拟。
准静态分析也可以在ABAQUS/Standard中进行,当惯性力可以忽略时,在ABAQUS/Standard中的准静态分析用来模拟含时间相关材料响应(蠕变、膨胀、粘弹性和双层粘塑性)的线性或非线性问题。

显式动态问题

理解在缓慢、准静态加载情况、快速加载情况之间的区别:分析的速度经常可以提高许多而不会严重地降低准静态求解的质量,缓慢情况下和有一些加速情况下的最终结果几乎是一致的。但是,如果分析的速度增加到一个点,使得惯性影响占主导地位时,解答就会趋向于局部化,而且结果与准静态的结果有一定区别。

加载速率

自然时间(nature time):一个物理过程所占用的实际时间。对于一个准静态过程在自然时间中进行分析,一般有把握假设将得到准确的静态结果。如果实际事件真实地发生在其固有时间尺度内,并在结束时其速度为零,则动态分析应该能够得到这样的事实,即分析实际上已经达到了稳态。可以提高加载速率使相同的物理事件在较短的时间内发生,只要解答保持与真实的静态解答几乎相同,而且动态效果始终保持不明显。

光滑幅值曲线

对于准确和高效的准静态分析,要求施加的载荷尽可能光滑,突然、急促的运动会产生应力波,导致振荡或不准确的结果。以可能最光滑的方式施加载荷要求加速度从一个增量步到下一个增量步只能改变一个小量。如果加速度是光滑的,随其变化的速度和位移也是光滑的。
ABAQUS有一条简单、固定的光滑步骤(smooth step)幅值曲线,自动地创建一条光滑的载荷幅值。当定义一个光滑步骤幅值曲线时,ABAQUS自动地用曲线连接每一组数据对,该曲线的一阶和二阶导数是光滑的,在每一组数据点上,斜率为零。由于这些一阶和二阶导数都是光滑的,故可以采用位移加载,应用一条光滑步骤幅值曲线,只用初始的和最终的数据点,而中间的运动将是光滑的。使用这种载荷幅值,允许进行准静态分析,而不会产生由于加载速率不连续引起的波动。

结构问题

在静态分析中,结构的最低阶模态通常控制结构的响应。如果已知最低阶模态的频率和相应的周期,则可以估算出得到适当的静态响应所需要的时间。
例如,应用在ABAQUS/Standard中的特征频率提取过程可以容易地计算自然频率,若结构的最低阶模态的频率大约为250Hz,对应4ms的周期,为了使结构在4ms内发生0.2m的变形。则其速度应为50m/s。虽然50m/s似乎是一个高速碰撞速度,而惯性力相对于整个结构的刚度已经成为次要的了,结构响应为很好的准静态响应。

质量放大

质量放大(mass scaling)可以在不需要人为提高加载速率的情况下降低运算成本。对于含有率相关材料率相关阻尼(如减震器)的问题,质量放大是唯一能够节省求解时间的选择。在这种模拟中,不要选择提高加载速率,因为材料的应变率会与加载速率同比例增加,导致分析过程改变。
模型的稳定极限是所有单元的最小稳定时间增量,可以表示为:
$$\Delta t=\frac{L^{e}}{c_{d}}$$ 式中:$L^{e}$ 是特征单元长度; $c_{d}$ 是材料的膨胀波速。线弹性材料在破怂逼为零时的膨胀波速为:
$$c_{d}=\sqrt{\frac{E}{\rho}}$$ 根据上面的公式,人为地将材料密度$\rho$增加因数$f^{2}$倍,则波速就会降低$f$倍,从而稳定时间增量将提高$f$倍。
过度地质量放大,正如过度地提高加载速率,可能导致错误的结果。为了确定一个可接受的质量放大因数,建议的方法类似于确定一个可接受的加载速率放大因数。两种方法的唯一区别:与质量放大相关的加载因子是质量放大因数的平方根,而与加载速率放大相关的加速因子与加载速率放大因数成正比。例如,一个100倍的质量方法因数恰好对应于10倍的加载速率因数
通过使用固定的或可变的质量放大,可以有多重方法来实现质量放大。质量放大的定义也可以随着分析步而改变,有很大的灵活性。

能量平衡

评估是否产生了正确的准静态响应,最具普遍意义的方式是研究模型中的各种能量,在ABAQUS/Explicit中的能量平衡方程:
$$E_{1}+E_{V}+E_{FD}+E_{KE}-E_{W}=E_{total}=constant$$ 式中,$E_{1}$为内能(包括 弹性和塑性应变能);$E_{V}$为粘性耗散吸收的能量;$E_{FD}$为摩擦耗散能;$E_{KE}$为动能;$E_{W}$为外加载荷所做的功;$E_{total}$为系统中的总能量,必须是个常数。当评价结果只对变形体感兴趣时,评价能量平衡时应在$E_{total}$中扣除刚体的动能

小结

  • 如果一个准静态分析以其固有时间尺度进行,那么其解答几乎与一个真正的静态解答相同。
  • 采用加载速率放大质量放大的方法来获得准静态的解答,使用较少的CPU时间常常是必要的。
  • 只要解答不发生局部化,加载速率常常可以增加一些。如果加载速率提高过大,惯性力会给解答带来不利的影响。
  • 质量放大是提高加载速率的另一种办法。当使用率相关材料时,最好采用质量放大的方法,因为提高加载速率将人为地改变材料的参数。
  • 在静态分析中,结构的最低模态控制着响应。如果知道了最低阶的自然频率以及对应的最低阶模态的周期,则可以估计获得正确的静态响应所需要的时间。
  • 有必要以各种加载速率运行,以确定一个可接受的加载速率。
  • 在大部分模拟中,变形材料的动能决不能超过其内能的一个很小的百分比(典型的为5%~10%)。
  • 在准静态分析中,为了描述位移,使用一条光滑步骤幅值曲线是最有效的方式。