ABAQUS应用之质量缩放 原创

1、 质量缩放的背景和原理

1． 背景：

Abaqus/Explicit 在分析接触、碰撞等高度非线性问题或 Abaqus/Standard 难以收敛时具有优势，但求解时使用非常小的时间增量，计算成本庞大。提高加载速率和质量缩放可提升计算效率，当材料需考虑应变率时，可使用质量缩放。

2． 原理：

Abaqus/Explicit 将求解过程视为波传问题，稳定时间增量与元素特征长度及疏密波波速有关，疏密波波速又和杨氏系数与密度有关。质量缩放通过调整部分元素的密度，放大时间增量来提升计算效率。

2、 质量缩放的设定方法

1． 检查稳定时间增量：

建立 Job 之后，通过提交分析或执行 Data Check，系统会将稳定时间增量信息写入（.sta）档，可作为后续调整依据。

2． 设定质量缩放：

(1) 在建立 Dynamic, Explicit 分析步时，进入 Mass Scaling 的标签，勾选 Use Scaling Definitions Below 选项后，点击 Create 进行设定。

(2) 相关参数说明：

• Objective：包括 Semi - Automatic Mass Scaling（预设）、Automatic Mass Scaling、Reinitialize Mass、Disable Mass Scaling Through Step。

• Application：涉及 Region（预设为 Whole Model，也可对特定集合放大）和 Scale（At beginning of step 在分析前设定一次，Through Step 在分析过程中更新）。

• Type：有 Scale by Factor 和 Scale to Target Time Increment（可参考 Data check 结果设定，目标值应大于初始值，但过量调整会影响结果准确性）。

• Scale element mass：包括 Uniformly to Satisfy Target、If Below Minimum Target、Nonuniformly to Equal target。

• Frequency：有 Every n Increments（预设为 1）和 At n Equal Intervals。

3、 质量缩放的注意事项

1． 检查质量增加比例：

设定完质量缩放后，通过 Submit 或 Data Check 将质量增加比例信息写入（.sta）档，动态问题质量增加比例不应超过 5%，避免结果不准确。

2． 拟静态分析的特殊要求

用显式求解器做拟静态分析，Step Time 通常介于 0.01 至 1 秒以降低动态效应，可根据经验放大质量，但静态问题需确保动能与内能比例小于 5%，若不满足可调整 Step Time。

拟静态分析加载边界条件时，须采用 Smooth Step（平滑加载）以提高结果准确性。同时，动态问题检查初始质量增加比例时应移除刚体，拟静态分析核动能与内能比例时可在 History Output 新增刚体动能输出并在后处理时扣除。