abaqus显示动力学VS隐式动力学 原创

引言：本文内容综合参考了《ABAQUS 6.12 有限元分析从入门到精通》、ABAQUS 官方帮助文档以及《ABAQUS 有限元分析常见问题解答》等资料，同时结合个人在学习与实际应用过程中的体会与思考，旨在帮助读者对显示分析步与隐式分析步的差异有更加深入的理解。

需要特别说明的是，文中观点部分基于作者的学习与实践经验，难免存在不足或偏差，诚挚欢迎同行提出宝贵意见与建议，以便相互交流、共同进步。

1、 通用隐式分析步：

图1为创建“动力，隐式”后的“基本信息”“增量”“其他”三个选项卡。

图1 隐式动力学分析步

在设置分析步时，“增量”和“其他”两个选项卡往往容易被忽视。一般来说，选择自动时间增量时可以通过Half-step residual控制平衡残差的容差，以兼顾精度与效率；而固定时间增量则可启用Suppress half-step residual来跳过残差检查，加快计算，但可能牺牲稳定性。在“其他”选项卡中，求解技术不涉及接触迭代，载荷默认按瞬态方式随时间变化；至于初始加速度，如果是第一个动力学分析步则为零，如果前一步同样是动力学步则沿用其结束时的加速度，默认情况下ABAQUS会自动计算，但若确认载荷无突变则可关闭以节省运算量。

2、 通用显示分析步

该分析步用于显式动力学分析，除了“基本信息”“增量”和“其他”三个选项卡页面外，其“编辑分析步”对话框还包括一个“质量缩放”选项卡页面。“基本信息”选项卡页面中的几何非线性选项默认为“开”。“增量”选项卡页面的相关参数如表1所示。

图2 动力显示分析步

表1 增量选项卡（来源：《ABAQUS 6.12 有限元分析从入门到精通》）

参数	功能
稳定增量步估计	该栏用于选择时间增量的稳定极限的估算方法，总是以单元-by-单元方式开始，在一定条件下转化为全局方式
全局	此为默认选项，用于估算整个模型使用当前膨胀波速的最高频率。当采用该方法具有足够的精确度时，才由单元-by-单元方式转化为全局方式。若模型包含流体单元、无限元、阻尼器、厚壳、厚梁、材料阻尼及自适应网格等，该方法不被使用。若使用该方法耗费太多的计算时间，ABAQUS/Explicit 采用单元-by-单元方法
单元-by-单元	用于估算每个单元的最高频率，该方法是保守的，得到的稳定时间增量总是小于整体估算算法
最大时间增量步——无限制	此为默认选项，不限制时间增量的上限
最大时间增量步——值	该选项用于设置时间增量的上限
时间缩放系数	该栏用于输入时间增量比例因子，用于调整 ABAQUS/Explicit 计算出的稳定的时间增量，默认值为 1。不适用于用户选择固定时间增量中的用户自定义时间增量的情况

在显式动力学分析中，除了常见的“基本信息”“增量”和“其他”三个选项卡外，“编辑分析步”对话框还多了一个“质量缩放”选项卡。其中，“基本信息”页面的几何非线性默认开启；“增量”页面的参数设置与隐式有所差别，这里不再赘述；而“质量缩放”功能则是显式分析的一个重要特征，它通过人为增加单元的质量来提高稳定时间步长，从而提升计算效率。通常情况下，程序会默认继承前一分析步的质量缩放设置（from the previous step），如果用户需要自定义，可在对话框中创建新的缩放方案，指定缩放类型与数值，并可在后续随时进行编辑或删除。需要注意的是，这种方法虽然能显著提高效率，但也可能改变动力学响应，因此在使用时要结合实际工况进行权衡。在“其他”选项卡中，显式分析与隐式分析的设置也有所不同，该页面只包含“线性体积粘性参数”和“二次体积粘性参数”两栏，其中线性体积粘性参数默认值为0.06，二次体积粘性参数默认值为1.2，仅适用于连续体单元和压容积应变率的情况，这两项设置主要用于控制高频噪声与数值振荡。

3、 隐式与显示的比较：

在 ABAQUS 中，Standard（隐式）和 Explicit（显式）都能处理各类工程问题，但选择哪个分析模块，往往取决于问题性质和计算效率。一般来说，如果两种方法都能求解，效率往往是决定因素。

（1） ABAQUS隐式求解(ABAQUS/Standard)

隐式算法（ABAQUS/Standard）基于 Newmark 隐式时间积分，对于线性问题无条件稳定，收敛性好，可以采用较大的时间步长，因此在完成指定分析时所需的增量步数相对较少。不过，每一步都需要解线性方程组，计算量和内存开销较大，尤其在大规模问题时可能成为瓶颈。它在处理静力问题、低频动力学问题以及特征值分析时表现突出，也能够处理复杂接触，但有时会受到约束条件的限制。

采用Newmark隐式时间积分：

（2） ABAQUS显式算法(ABAQUS/Explicit)

显式算法（ABAQUS/Explicit）采用中心差分法积分，方程不耦合，可以直接推进计算，每个增量步的成本很低，对内存和磁盘的要求也相对较小。然而它对时间步长非常敏感，必须满足稳定条件，通常由最小单元尺寸和波速决定，因此分析可能需要大量增量步。尽管如此，显式算法在复杂接触问题和强非线性高频动力学问题（如冲击、碰撞、爆炸、穿透）中具有明显优势，能够更真实地反映载荷传递过程。

采用中心差分法进行显式时间积分:

简而言之，隐式适合低频和准静态问题，显式更适合高速、强非线性场景；隐式的优势在于时间步长大、步数少但单步计算重，显式的优势在于单步计算轻便但步数多。合理选择分析模块，往往能在准确性和效率之间找到平衡点。

4、 适合的求解范围

在选择分析模块时，隐式和显式各有其适用范围。隐式求解通常更适合响应周期远大于系统自振频率的问题，比如准静态或低频动力学过程。在这类情况下，显式方法由于时间增量过小而效率极低；而隐式方法对于平滑的非线性问题也很高效，只需较少的迭代就能收敛，因此在适度非线性、响应变化平稳的问题中表现良好。相比之下，显式求解则在高速动力学分析中优势明显，它能处理带有不连续性的复杂问题，比如接触、碰撞、屈曲甚至材料失效等情形。对于这类问题，隐式方法往往需要大量计算资源并且容易出现收敛困难，而显式方法由于其算法特性，反而能以更高的效率完成计算。

图3 隐式求解VS显示求解

5、 分析步替换

在 ABAQUS/CAE 中，Step 模块提供了“分析步替换”功能（Step → Manager → Replace），它是一种方便的建模操作，可以直接将现有的分析步替换为另一种类型，而无需重新从头定义。需要注意的是，这种替换仅仅是 CAE 内部的建模操作，并不涉及分析结果在不同分析步之间的传递，因此与重启动分析是完全不同的。在替换过程中，ABAQUS/CAE 会自动将原分析步关联的接触、边界条件、载荷等参数复制到新的分析步中，并在不适用的情况下尽量给出等效替代；不兼容的部分会被抑制或删除，并在信息区提示用户。例如，将一个 Standard 静力分析步替换为 Explicit 显式动力学分析步时，系统会自动用 Explicit 的自接触功能替换 Standard 的自接触，将压力载荷完整复制，同时抑制惯性释放载荷，因为后者在 Explicit 中并不被支持。实际建模时，建议在替换之前备份原有模型，并在替换完成后仔细检查材料属性、单元类型、接触、边界条件、载荷和预定义场等是否仍然合理。如果只是想恢复分析步的默认参数设置，也可以借助替换功能：将分析步替换为同类型的新分析步即可。

图5 分析步替换

6、 案例（以钢架结构为研究对象，通过分析对比不同分析步的结果差异）