Abaqus应用之常见问题处理 （三）

说明：本次内容参考曹金凤、 石亦平老师所著的《ABAQUS有限元分析常见问题解答》 ；

1、 常见问题1：多步骤分析

1）当需要在现有分析结果的基础上进一步分析其他工况，或由于某种原因导致分析过程异常中断时，可以通过重启动分析来提升计算效率。

2）重启动分析包含三个主要步骤，即在基础模型中设置重启动数据的输出请求，创建重启动模型，并提交重启动分析作业。

3）重启动分析可以通过在INP文件中直接定义，也可以在ABAQUS/CAE界面中完成。

4）在分析过程之间传递数据能够显著提高产品优化设计的效率，同时通过结合ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit两种求解器的优势来提升分析效率。

5）数据在分析过程中的传递包括三个步骤，即在初始分析的模型中设置重启动数据输出，在后续分析的模型中为需要传递数据的部件定义初始状态场，并提交后续分析作业。

6）与重启动分析相比，数据在分析过程中的传递可以仅导入所需的组件，而不必加载整个模型；可以选择仅导入模型信息，也可以同时导入模型信息和计算结果；此外，还可以定义新的模型数据，如节点、单元、表面和接触对等。

2、 常见问题2：非线性分析

1)实际工程中的分析通常属于非线性分析，主要包括几何非线性、材料非线性以及边界条件非线性三种类型。

2)ABAQUS/Standard使用Newton-Raphson方法来求解大型方程组，在每个增量步中都进行迭代运算，因此需要占用大量的硬盘和内存空间。其计算结果具有无条件稳定性，适合解决一般的线性和非线性问题。

3)ABAQUS/Explicit则采用中心差分法求解大型方程组，无需迭代计算，但需要进行大量的增量步计算，其计算时间取决于稳定极限值。其结果为有条件稳定，适用于高速动力学、复杂接触、材料磨损和失效等问题的分析。

4)影响ABAQUS/Explicit稳定极限值的因素包括最小单元尺寸、材料特性、材料密度以及单元类型等。为了提高稳定极限值并加快分析速度，应选择合适的网格密度，确保单元形状规则，并在必要时应用质量缩放技术。

5)在ABAQUS/Explicit分析中，为避免数值振荡，通常需要为模型定义阻尼，如体积粘性、材料阻尼、阻尼器单元和粘性压力等。

6)对于ABAQUS/Explicit显式求解器而言，模型中的位移边界条件不应出现剧烈的变化，应该使用带有平滑系数(Smoothing)的幅值曲线进行设置。

7) 静态分析与动态分析的本质区别在于静态分析不考虑惯性和冲击效应，通常情况下，运动速度和加载速度对结果没有影响；而动态分析则考虑惯性和冲击效应，当载荷、位移、速度和加速度等在短时间内发生剧烈变化时（即加载速度过快），可能会导致显著的局部变形。

8) ABAQUS/Explicit也可用于准静态分析，关键在于合理设置加载速度、分析步时间和质量缩放系数等模型参数，以使结果尽可能接近静态分析的结果。判断是否为准静态分析的一个重要标准是，分析过程中模型的动能一般不应超过内能的5%至10%。

3、 常见问题3：接触分析

1)点对面离散与面对面离散：在点对面离散方法中，每个从面节点与其在主面上的投影点建立接触关系，确保从面节点不会穿透主面，但主面节点可能穿透从面。面对面离散方法则为整个从面（而非单个节点）设定接触条件，在接触分析中同时考虑主面与从面的形状变化，虽然可能在某些节点出现轻微的穿透，但程度较轻。

2)有限滑动与小滑动：如果两个接触面之间的相对滑动或转动量较大（如超过接触面单元尺寸），应选择有限滑动，尽管其计算成本较高；若相对滑动或转动量较小（如小于接触面单元尺寸的20%），则应选择小滑动。

3)输出接触力：可以在历史变量输出（history output）中选择CFN，或在INP文件中使用*CONTACT PRINT关键词。

4) 严重不连续迭代与平衡迭代：当某节点的接触或摩擦状态在一次迭代中发生变化，即为严重不连续迭代；当所有节点的接触和摩擦状态不再变化时，即为平衡迭代。严重不连续迭代是接触分析中的常见现象，不表示模型存在错误。通常，随着迭代进行，发生严重不连续变化的节点数会减少，最终进入平衡迭代并达到收敛。

5) 接触算法：ABAQUS/Standard在接触分析中使用主-从接触算法，需进行多次迭代，可能出现收敛问题；而ABAQUS/Explicit采用通用接触算法或接触对算法，不需迭代，因此无收敛问题。

6）边界条件缺乏约束：静力分析中容易犯的错误之一是边界条件不足，此时MSG文件中可能出现数值奇异或零主元的警告。在建立静力分析模型时，需为模型的每个实体定义足够的平动和转动自由度上的边界条件，以避免不确定的刚体位移。

7) 利用对称性建模：建模时应尽量利用对称性，仅建模1/2、1/4或1/8的部分，以避免不确定的刚体位移，使模型更加稳固，并减少收敛难度、缩小模型规模、缩短计算时间。

8) 静力平衡：模型中仅依靠两个外力不足以达到静力平衡，必须借助边界条件处的支反力来实现平衡，才能保证静力平衡方程的位移解唯一，并使静力分析收敛。

9) 位移优先于力载荷：如果可能，优先对模型指定位移而非施加力载荷，以降低收敛难度。

10) 边界条件与自由度：所有不会发生位移的自由度都应在边界条件中设为零。在每个分析步中，若某自由度未施加力载荷，需通过边界条件约束该自由度；若施加了力载荷，则需去掉该自由度上的边界条件。

11) 先位移后力载荷：施加力载荷前，应先利用位移边界条件建立平稳的接触关系，然后在下一个分析步中施加力载荷。

12) 摩擦约束的局限性：不要依赖摩擦力来约束刚体的平动和转动，而应根据实际工程情况定义尽可能多的边界条件，因为在分析初期接触关系尚未建立，摩擦力无法起到约束作用。

13)“零主元”和“过约束”警告：这些警告可能由约束不足或过多引起。如果“过约束”警告仅出现在DAT文件中，而未出现在MSG文件中，则表示ABAQUS已自动解决该问题，无需用户修改模型；若警告出现在MSG文件中，则需检查并更正约束问题。

14）“负特征值”警告：该警告可能因约束不足、单元翻转或材料异常引起，但不一定表示模型有错误。只要此警告不出现在增量步的最后一次迭代中，通常没有问题。

15）接触位置误差调整：定义接触时应设定合适的ADJUST参数，确保从面节点和主面在初始状态下能够接触，同时避免不必要的节点坐标变化。

16）网格细化：模型中重要区域的网格应细化以提高计算精度，而不重要区域的网格则应粗化，以节省计算时间，不宜在整个模型中划分均匀网格。

17）沙漏模式问题：如果在Visualization模块中看到单元变为交替出现的梯形形状，说明出现了沙漏模式的数值问题，应尽量使用非协调模式单元。

18）有限滑移与主面法线：对于有限滑移，从面节点应始终处于主面法线的覆盖范围内，且从面应尽量小，不应包含不可能发生接触的区域。

19）“尝试次数过多”错误：这一错误提示分析无法收敛，通常不能通过调整初始增量步长或最大增量步数解决，而应查找模型本身的问题。

20）接触面法向：一对接触面的法向应相互指向对方，否则可能出现“过盈量太大”的提示。

21）主面尖角：主面上不应有尖角，以避免法线方向上的奇异性导致收敛问题。

22）大位移与几何非线性：若模型在分析过程中可能出现较大位移，应在Step模块中将Nlgeom设置为ON，以考虑几何非线性效应。