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通过自动重划(非线性自适应区域)克服收敛困难
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发布时间:2019-08-29 作者: 浏览数:633

在ANSYS Mechanical的非线性结构分析中,我们可能遇到的一个问题是,元素变得如此失真,以致求解器无法继续。我们得到消息说解算器无法完成,解算器输出将包含如下消息:

 ***错误*** CP = 37.969时间= 14:40:06
元素2988(类型= 1,SOLID187)(可能还有其他元素)已经变成
高度扭曲。元素的过度扭曲通常是
表明需要在其他地方采取纠正措施的症状。尝试
更慢地增加负载(增加子步骤的数量或
减小时间步长)。你可能需要改进你的网格
获得纵横比更好的元素。还要考虑行为
材料、接触对和/或约束方程。请裁决
在尝试重新分区或
非线性自适应解。如果此消息出现在第一个
迭代第一个子步骤,确保执行元素形状检查。

解决方案分支将有红色指示灯,表示由于不收敛,解决方案无法完成。

image.png

如果你没有意识到,我们可以用一种技术来解决这个过度元素失真的问题,那就是让ANSYS在求解过程中自动对模型或模型的一部分进行回放。模型的当前状态然后被映射到新网格上,处于当前偏转状态。通过这种方式,我们可以在稍微停顿一会儿后自动继续解决方案,以便重新记忆。作为用户,我们最少需要做的就是在静态结构分支下插入一个非线性自适应区域,并查看和指定一些设置(稍后将对此进行更多介绍)。

image.png

让我们看一个简单的例子。这是圆形超弹性零件的楔形部分,承受顶面上的压力载荷。其他边界条件包括底部的固定支撑和边缘两个切割面上的无摩擦支撑。

在这种情况下,非线性自适应区域是整个部分。

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初始网格被设置为默认网格,尽管注意到对于3D模型,非线性自适应能力需要四面体网格贯穿当前版本,2019年R2。

image.png

在求解包含非线性自适应区域之前,该模型无法收敛到总负载的约56%。随着非线性自适应区域的增加,模型在元件过度变形时自动重新记忆,并且求解能够进行到施加满负荷。力收敛图在发生重划的点有一条实线橙色线。该方法可导致多次重熔,尽管在此处所示的样本模型中,只需要一次重熔。

image.png

下图左边的图像显示了发生重网格之前最后一个收敛子步骤中的原始网格。右边的图像是重划完成后的第一个结果集。

image.png

如果在解决过程中发生了重新网格,结果项的表格视图将显示在最后一列中。

image.png

这是施加在顶面上的全部压力载荷的最终变形。

image.png

接下来,让我们更详细地看看非线性自适应区域能力。

首先,解决方案必须使用多个子步骤。如果我们进行非线性分析,无论如何都会是这种情况。第二,需要在“分析设置”分支中打开“大偏转”。此外,结果必须存储在所有时间点(请注意,时间是静态分析中的跟踪参数,但在ANSYS Mechanical中,所有静态和瞬态结果都与“时间”值相关联)。

对模型中不能包含的特征有几个限制,例如循环对称(因此在上面所示的简单模型中无摩擦支持BC)、自动不对称接触、关节、弹簧、远程力和位移等。也排除了某些材料性能,如铸铁塑性和形状记忆合金。此外,如上所述,对于3D模型,网格必须是四面体的。有关这些限制的完整列表,请参考《ANSYS机械用户指南》。对“非线性自适应”的搜索会把你带到帮助中的正确位置。

非线性自适应区域的范围可以是三维实体和二维实体,或通过命名选择的元素。

在非线性自适应区域的详细视图中,要定义的主要选项是重新初始化的标准。机械有三种选择:能量、盒子和网格。

能量准则检查非线性自适应区域内每个单元的应变能量。如果应变能高于标准,则触发重划。输入是介于0和1之间的能量系数,是元件总应变能除以元件数量的乘数。推荐值为0.85-0.9。较低的系数更有可能引起记忆。

盒子标准基于坐标系和相对于该坐标系的边界来定义几何区域。非线性自适应区域中节点都在框内移动的元素将被重新网格化。这个想法是,如果已知元素在移动到某个区域时会被高度扭曲,我们可以确保在那里发生记忆。

网格标准允许我们指定当网格变形时,如果网格质量度量下降到特定级别以下,将发生网格重划。对于三维模型,可用的度量是雅可比比和偏斜度。机械用户指南在线性自适应区域一节中对此进行了描述。

在上面所示的例子中,使用了能量系数为0.85的能量标准。

当你试图实现一个非线性自适应区域来帮助克服收敛困难时,有一些事情需要注意。首先,如果上面提到的任何约束特征都包含在模型中,比如远程位移,它就不起作用了。因此,查看帮助中的限制列表并确保这些都没有应用到您的模型中非常重要。其次,由不稳定结构引起的“屈曲”或元件变形不是非线性自适应区域可以帮助的行为。非线性自适应区域能力更适合于超弹性密封件被压缩或物体经历高度弯曲(但不是突然穿透)等问题。

此外,扭曲的粗网格可能不会产生有用的效果。可能会发生重划步骤,但模拟可能无法继续进行,并因元素配方错误而停止。在这种情况下,可能需要更多的网格细化。

作为进一步的警告,在非线性自适应区域的环境中,自接触问题可能不会很好地工作。如果需要自我接触,考虑将身体分成多个部分以避免自我接触。

帮助中讨论的方法还有一些其他考虑因素,但希望这里给出的指导方针和建议将允许您适当地过滤潜在的应用,并建立可以利用非线性自适应区域能力的模型。我们有一个简短的动画,它显示了样本模型中的重新记忆步骤。

如果您的非线性静态结构模型由于过度的元素失真而存在收敛困难,请考虑使用此方法来帮助您获得完全收敛的解决方案。


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