Explicit Dynamics分析设置(二)

文摘   2024-10-08 23:19   安徽  
接着Explicit Dynamics分析设置(一)继续讨论。

4、网格

使用Explicit首选项(默认设置)可自动分配显示分析相关的默认网格设置选项,这些选项可以提供非常适合Explicit Dynamics分析的网格。Explicit首选项会自动将Rigid Body Behavior设置为Full Mesh(全网格)。Full Mesh设置仅适用于显式动力学分析。如果希望隐式模型和显式模型之间具有更好的网格一致性,则可以使用其他物理特性首选项,如结构、非线性结构等。

应考虑模型中的单元数量和网格质量,以便生成更大的结果时间步长,从而获得更高效的仿真。粗网格通常用于深入了解系统的基本动力学,而需要更细的网格来研究非线性材料效应和失效问题。

在显式动力学分析中,均匀的六面体网格是首选。对于所有单元类型(实体、曲面和线体),应尽量将网格设置为一阶单元(网格不带中间节点)。主要原因表现为,一阶单元相对于二阶单元具有更少的自由度,这使得计算矩阵的规模更小,计算时间更短,特别是在大规模模型中,这显得尤为重要。显式动力学分析通常涉及非常多的时间步长,因此计算效率非常关键;全积分单元容易产生体积锁定(volumetric locking)和剪切锁定(shear locking)现象,尤其在高度非线性和大变形问题中。这些现象会影响计算的精度和稳定性。一阶单元由于其简单的形函数,单元的刚度较低,在大变形问题中通常表现得更好;另外,二阶单元虽然在静态问题或低速变形问题中能提供更高的精度,但在高速动态问题中,精度的要求并不如计算稳定性和速度那么重要。

对于显式动力学分析执行隐式静态结构或瞬态结构分析时,隐式和显式分析都需要使用相同的网格,并且只允许使用低阶单元。如果使用高阶元素,求解器会出错。
5、初始条件

初始条件,即分析开始时(t=0)模型的初始载荷状态,支持速度、角速度和跌落高度三种载荷。

Drop Height通过输入跌落高度,系统根据如下自由落体的速度公式自动转换为冲击速度。注意,这里整个模型的相对位置为刚接触的状态,等价于直接输入冲击速度。

其中,g为标准的重力加速度,h为跌落高度。如下图所示,114.72mm的跌落高度产生1.5m/s的冲击速度。

6、分析设置

如下图所示,显示动力学分析设置包括如下选项。

1)Analysis Settings Preference

用于设置分析类型,包括程序控制(Program Controlled低速(Low Velocity)、高速(High Velocity)、效率(Efficiency)、准静态(Quasi-static)以及跌落测试(Drop Test)。

程序控制,具有稳健的解决方案,优先使用。尤其在不确定分析类型时。
低速类型,推荐用于低变形,低速度(速度<100m/s) 分析。
高速类型,推荐用于高变形,高速度 (速度>100m/s) 分析。
效率类型,高效求解,减小分析运行时间。但在某些情况下,会影响分析稳健性和准确性。
准静态类型,用于准静态分析,如材料的缓慢冲压、弯曲成型等。
跌落测试,用于跌落测试分析。
2)Step Controls
Step Control所必需的输入是分析的终止时间。该时间不宜过长,应根据所模拟的物理现象,对时间范围做准确估计。加载步骤类型只有唯一的选项,显式时间积分方法(Explicit Time Integration)。

Explicit Dynamics分析可以从任何具有重新启动文件的循环中恢复分析。Resume From Cycle选项允许选择要用于恢复分析的Restart文件。循环为0(默认值),表示解决方案将清除任何以前的进度并从时间零开始计算分析。

Maximum Number of Cycles为最大循环次数,默认值为1e+07,足够大。当求解循环次数达到该设定值时,求解会终止。应该输入一个较大的值,以使分析运行到给定的终止时间。

Maximum Energy Error为最大能量误差,默认值为0.1(10%);当能量误差超到该值时,求解会终止。能量守恒是衡量显式动力学分析质量的指标,较大的能量偏差通常意味着模型定义不理想。如Explicit Dynamics分析流程所述案例能量守恒曲线。

参考周期,Reference Energy = [Internal Energy + Kinetic Energy + Hourglass Energy],参考能量 = [内能 + 动能 + 沙漏能量]。

当前周期,Current Energy = [Internal Energy + Kinetic Energy + Hourglass Energy],当前能量 = [内能 + 动能 + 沙漏能量]。

完成的功(Work Done) = 约束完成的功 + 负载完成的功 + 体载荷完成的功 + 单元侵蚀从系统中去除的能量 + 接触罚力完成的功。

Reference Energy Cycle,为参考能量对应的给定循环序列,求解器根据该能量计算能量误差。默认开始周期(cycle = 0)。如果模型的能量为零,则需要增加cycle的值(例如模型没有初始速度定义)。

初始时间步长、最小时间步长以及最大时间步长建议采用程序控制,这样,许求解器根据模型中的最小CFL条件来确定最优的时间步长。默认设置下,初始时间步长将自动设置为计算单元稳定性的0.5倍时间步长;最小时间步长为选择为0.1倍初始时间步长。最大时间步长对应计算稳定性的时间步长。

Time Step Safety Factor,时间步长安全系数,求解器用于计算稳定性时间步长,以帮助保持求解稳定。默认值0.9适用于大多数分析。

Characteristic Dimension(特征维度)包括Diagonals(对角线,默认设置)、Opposing Face(对面)以及Nearest Face(最近的面)。确定六面体单元时间长的特征尺寸,求解器计算稳定时间步长需要用到单元的特征尺寸。

对角线方法,将单元的体积除以最长单元对角线的平方,然后按缩放。

对面方法,将基于相对面之间的最小距离。可获取六面体单元的最佳时间步长。经验表明,此选项可以显著提高3D拉格朗日仿真的效率。但在某些情况下,当网格变得高度扭曲时,计算会不稳定,因高能量误差而终止。正确选择侵蚀应变可以减少这些问题。因此,建议仅在效率优先时才使用此选项。

最近的面方法,基于相邻面之间的最小距离。同样,此选项可以显著提高3D拉格朗日仿真的效率。但在某些情况下,当网格变得高度扭曲时,计算会不稳定,因高能量误差而终止。正确选择侵蚀应变可以减少这些问题。因此,建议仅在效率优先时才使用此选项。

Automatic Mass Scaling(自动质量缩放),如果设置为YES,则显示以下选项。

Minimum CFL Time Step(最小CFL时间步长),质量缩放将额外的质量引入系统,以增加计算的CFL时间步长。引入过多的质量会导致非物理结果。

Maximum Element Scaling(最大单元缩放),默认值100,该值限制缩放物理质量的比率,应用于模型中的每个单元网格

Maximum Part Scaling(最大零件缩放),默认值0.05,该值限制缩放物理质量的比率,应用于单个实体。如果超过此值,分析将停止并显示错误消息。

Update Frequency(更新频率),默认值为0,允许控制求解期间质量缩放的频率。建议使用默认值0,质量比例因子(mass scale factor)仅在求解开始时计算一次。

参考资料:ANSYS HELP-Explicit Dynamics Workflow

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