调试Abaqus模型修复Abaqus中的收敛问题教程

此篇文章全面探讨了在 Abaqus/Standard 中调试模型的过程，特别关注解决收敛问题。它使用迭代方法和策略，对 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 进行了详细的比较，强调了了解模型特征、采用系统方法以及在面对问题时保持毅力的重要性。

以下博客由来自阿拉巴马州奥本大学的机械工程师 Ritu Singh 撰写，他拥有六年的经验。她担任了三年的高级设计工程师，然后过渡到作家和团队负责人三年，专门创建无障碍内容。目前，Ritu 在 Dassault Systèmes 担任 SIMULIA 品牌全球营销的宣传产品营销专家，在那里她将自己的工程敏锐度与写作技巧相结合，制作出引人注目的营销内容。

介绍

调试 Abaqus/Standard 模型可能很复杂，尤其是在结构模拟.

此博客重点介绍调试Abaqus模型，指的是修复 Abaqus/Standard 中的收敛问题。调试可以指一系列事情，从构建和修复网格中的问题到纠正基本的建模错误、拼写错误的关键字等等。但是，本博客旨在了解如何修复 Abaqus/ Standard 中的收敛问题。

了解 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 中的收敛

Abaqus/标准是原始的 Abaqus 求解器代码，可追溯到 1980 年代初期。它是一个有限元求解器代码，也称为隐式求解器，具有许多功能。这些范围从一般的非线性静态和动态仿真到线性仿真，包括线性动力学、传热、声学、压电效应等。

Abaqus/Standard 使用增量迭代方法进行常规模拟。它是围绕 Newton-Raphson 方法构建的，Newton-Raphson 方法是一种用于解决收敛问题的数值技术，需要一个全面的调试策略。

这种方法的成功完成会导致所谓的“收敛”，而失败会导致不收敛。区分这两种状态以有效解决不趋同问题至关重要。

相比之下，Abaqus/显式是 1992 年左右发布的动态显式包。它是一个显式求解器，在完全不同的求解器技术上运行。Abaqus/Explicit 具有各种功能，例如一般非线性动态仿真、传热和声学，以及适用于复杂 3D 接触模型的结构、大变形方法和稳健的接触算法。

动态显式分析包 Abaqus/Explicit 不使用 Newton-Raphson 方法，因此不存在收敛问题。但是，显式代码可能会面临数值稳定性问题。

在 Abaqus/Standard 中遇到严重收敛问题的用户可以考虑切换到 Abaqus/Explicit。由于两个求解器的界面非常相似，因此过渡到 Abaqus/Explicit 有助于缓解 Abaqus/Standard 仿真中遇到的收敛难题。

示例：连接器弹簧

第一个例子涉及一个单单元模型，该模型具有一个施加力的连接单元。非线性弹簧刚度可平衡力。连接器元素是 Cartesian-Cardan 连接器。它的相对运动的第一个分量具有非线性刚度，而相对运动的其他分量则受到约束。

由于弹簧在一个方向上是非线性的，因此该模型相对简单，并且使用静态载荷步长。这意味着我们将测试弹簧在负载下伸展了多远。在调试收敛问题时，确定关键的模型特征至关重要：

• 具有非线性刚度的连接单元

• 边界条件，包括连接器运动约束

• 集中负载

• 静态过程。

即使不需要调试，我们也必须了解模型中的特征。了解如何使用模型特征与理解它们可能导致的问题一样重要，例如，

• 非线性弹簧可能具有非单调力/挠度行为

• 多个约束可能会相互干扰。

• 从动载荷可能会导致需要非对称求解器。

• 模拟过程可能是准静态的，从而导致静态分析失败。

对潜在陷阱的了解是通过培训和经验来培养的。这几乎适用于任何复杂的人类努力。通过培训，人们可以避免仅仅依赖体验式学习，同时提高有效识别和应对挑战的能力。

在以下示例中，模型无法按原样完成。首先要做的是查看状态文件。（您可能更喜欢在 Abaqus/Viewer 中使用作业诊断，但我更喜欢文本文件。绿色文本表示收敛问题。

我的日志文件包含一条错误代码消息，但这些是较低级别的系统相关问题，我需要单独调查。在这里，我们面临着一个普通的收敛问题。一旦我们确定了分析突然终止的问题，就必须检查消息文件。

我更喜欢先检查文件的末尾。我喜欢在 Abaqus/Viewer 中打开 ODB 并显示上次保存结果的变形形状时执行此操作。在这种情况下，该消息指示所需时间小于指定的最小值，这是一条通用消息。

通常，错误消息会重申已知的内容。当我查看消息文件时，我通常会显示一张模型变形形状的图片，就在错误发生之前。但是，由于这是一个单元素模型，因此没有太多可可视化的内容。

现在我知道过多的裁剪导致了错误，我可以回溯消息文件，记下关键节点和单元，并在变形的网格中找到它们。我需要识别数字中的模式，因此我向自己提出问题，例如：

• 同一组节点是否始终具有最大的残差？

• 同一组节点是否始终会导致触点出现问题？

• 最大的修正是否位于相同的几个节点上？

• 在同一组元素中，可塑性是否似乎失控了？等。

数字模式可以帮助您识别导致问题的网格区域。您可以在显示的网格中快速找到这些实体。

现在，随着工作突然中断;希望您保存了一些中间结果。您必须制定一个假设来缓解此问题。该假设必须与已识别的问题网格区域和模型特征固有的潜在问题保持一致。

您必须通过应力和位移的动画或等值线图仔细检查已知结果，以改进此假设。有了工作假设，下一步涉及修改模型以解决假设问题。

幸运的是，一旦您实施了修复程序，问题就会得到解决。但是，如果问题仍然存在或出现新的并发症，则可能是不正确的假设。在这种情况下，尤其是在处理收敛问题时，练习毅力至关重要。

在这种情况下，问题在节点 2 处观察到。这是意料之中的，因为在这两个节点中，这是唯一一个自由移动的节点。网格处于平衡状态，但找到另一个载荷稍大的平衡状态时存在问题。这让我假设非线性刚度有一些奇怪的地方。

为了获得更深入的了解，我们需要实现训练中推广的一种技术：位移控制载荷。我们可以在施加边界条件的情况下拉伸弹簧并观察结果，而不是施加载荷。该模型具有简单的力控制载荷，可以很容易地转换为位移控制。通过应用固定位移，我们可以修改模型并成功完成分析。

力与位移图显示，非单调力-偏转行为阻碍了静态过程中的力斜坡变化。这清楚地暴露了当载荷约为 2.0 时，没有接近平衡状态的平衡状态的问题。此行为源于 Abaqus 静态模拟中的默认振幅设置，使力应用复杂化。

可以考虑有几种解决方案来解决此问题：

• 插入对应于载荷 2.0 的位移并重新运行。

• 运行两步模拟并切换到力控制，如下所示。

• 使用相对较新的 *STEP CONTROL 选项。

此示例展示了非线性仿真调试更广泛的复杂性，突出了需要一种有条不紊的方法来识别和解决收敛问题。

示例：板通环

第二个示例说明了有限元分析中经常遇到的收敛问题，使用薄弹性盘通过具有椭圆形横截面的刚性环轴向拉动。磁盘应该完全拉通，但模拟失败，导致出现指示分析尚未完成的可怕消息。此示例突出了此类仿真过程中由于收敛问题而导致的常见挫败感。

让我们看看我创建的加载步骤。该步骤已经使用了位移控制载荷，因此没有希望通过切换到它来解决问题。

重要的模型功能包括：

• 二次方砖单元类型 C3D20RH

• 超弹性材料

• 一般联系方式

• 边界条件

• 刚体约束

• 静态过程

一旦我们确定了模型的关键特征，下一步就是确定陷阱并了解如何使用这些功能来产生高质量的结果。在模型中使用超弹性材料之前，了解超弹性材料上下文中的稳定性至关重要，因为超弹性材料应在预期应变范围内保持稳定。

我们可能会遇到联系问题。例如，当遇到 Abaqus/Standard 中的接触模型收敛问题时，我们可能需要激活非对称解算器。Contact 可能需要非对称解算器，尤其是在存在摩擦的情况下。在模拟像这样的准静态过程时，我们必须避免过度约束并注意与静态过程的冲突。

该模型仅在步骤中途进行，并提示显示指示分析尚未完成的消息。此消息文件中有许多负特征值消息。根据残差和时间平均力，很明显该模型处于可接受的平衡状态。

让我们在这个阶段制定一个合理的工作假设。我们正在使用联系人最佳实践。我们有一般接触，非对称求解器由于摩擦而被激活。超弹性材料是稳定的。由于它们的位置，不存在过度约束的可能性。

存在许多持久的负特征值消息。这与部分结果的动画一起导致了屈曲的假设。我们需要一种求解策略来继续后屈曲行为并完全拉动磁盘。各种技术，如 Riks 方法、静态稳定、准静态隐式动力学和显式动力学，可以帮助我们解决这个问题。

让我们在 Abaqus/Standard 中从静态过程切换到准静态隐式动力学。

我们允许非常小的增量大小并增加削减次数。在某些情况下，如果仿真以相当大的增量大小平稳移动，但观察到屈曲行为，我们必须过渡到较小的增量大小。有时，它可能需要最小的增量和超过 5 次的削减，这是默认数字。在进行隐式动力学时，将时间视为物理量而不是像静态分析那样的归一化量至关重要。

这个收敛问题的解决方案在于修改仿真程序。对曲线的问题区域进行导航，从而成功完成仿真。

此示例强调了了解仿真的特定特性并应用定制策略来解决复杂有限元分析中的收敛问题的重要性。

示例：O 形圈压缩和松弛

最后一个例子是超弹性/粘弹性 O 形圈被压缩，然后松弛。上图中的绿色圆形分量代表 O 形圈。在静态步骤中，刚性板将 O 形圈压缩成弹性材料中的凹槽。板保持固定，而密封在第二步中使用 *VISCO 程序松弛。

此模型特征包括一般接触、边界条件和对称平面。运行分析时，第一步未完成。调试过程包括全面检查部分结果、动画和消息文件，以确定问题的根源。

消息文件指示虽然平衡良好，但接触存在问题。请注意有关粘连和滑倒的信息。

工作假设是 O 形圈正在经历粘滑行为，这会导致静态程序出现问题。一种解决方法是使用准静态隐式动力学。在这种情况下，切换程序会使情况变得更糟，这种情况可能会发生。该消息文件指示节点 4 和 4559 处的边对面接触存在接触问题，这两个节点位于凹槽的尖锐边缘处。

让我们看看一般接触中的边。我们可以使用 Abaqus/Viewer 在联系人域中可视化GENERAL_CONTACT_EDGES_3。我们注意到对称边界上有不需要的边。一般接触选项包括Abaqus/标准以从 Contact 域中删除边缘。让我们删除这些并重试。

一旦整个模型运行起来，我们就可以考虑恢复到静态过程。一次进行一项更改效果最佳，因此过程不会更改。

我们正在更改接触以消除对称平面上的边，并将第一步切换到动态过程。这给了我物理时间和粘弹性效果。它还为我们提供了惯性效应。这意味着我们必须密切关注这一步的时间。

我为该步骤使用了 0.1 的时间和 30 秒的松弛时间。由于与弛豫时间相比，这个小 O 形圈的加载速率并不长，因此 0.1 似乎是用于该步骤的好时机。

尽管步骤 1 成功，但模拟再次失败。我们通过压缩步骤进入 VISCO 步骤，但随后它失败了。通过分析第 2 步中的部分结果、动画和最后保存的结果，可以在简化的积分网格中观察到变形模式。

印章变形形状的图表明了 C3D8RH 元件的沙漏。这就是需要毅力的地方。我们可以消除减少的集成元素，并放入完全集成的元素以消除沙漏效应。下一步是将 brick 元素切换到 C3D8H，然后重试。重新运行模拟可提供完整的结果。该解决方案现已成功。我们可以在闲暇时进行模型改进。

我决定细化网格并圆化凹槽的边缘。通常，当边缘变圆时，更容易获得收敛。圆角的半径应足够大，以使网格符合它。如果需要更锐利的边缘，请使用更精细的网格。

一旦我们实施了这些更改，模拟就成功了。这个例子证明了持久性和适应性在解决收敛挑战方面的重要性。

有限元模型的通用调试技术和策略

调试 Abaqus/Standard 收敛问题可能令人生畏。核对表对于识别和解决模型中的这些挑战至关重要。

以下是在 Abaqus/Standard 中有效调试模型时要牢记的关键步骤：

了解您的模型功能以及如何正确使用它们。

确定模型特征可能导致的潜在陷阱。

应用所有可用信息来形成假设。部分结果是有益的。请记住，在调试时不要人为地限制输出。

阅读错误/警告消息并分析消息文件。

为假设问题定义解决方法。

初始尝试失败的情况并不少见。毅力是完成分析的关键。

最后要记住的是，通过培训和经验，可以了解特定功能的陷阱。培训和经验使用户能够提高他们为收敛问题假设和实施实际解决方案的能力。

以下是推荐用于进一步学习的培训课程和资源列表。

使用 Abaqus 获取 Convergence 解决方案

使用 Abaqus 对接触进行建模并解决收敛问题

Abaqus/Explicit：高级主题

使用 Abaqus 进行屈曲、后屈曲和塌陷分析

任何培训课程都是有益的。

这些教育资源可在SIMULIA （模拟）网站。如果您希望提高使用 Abaqus/Standard 调试收敛问题时的问题解决能力，我鼓励您探索这些培训机会。

结论

总之，在 Abaqus/Standard 中调试收敛问题是一个复杂的过程，需要深入了解模型的特征和潜在问题。培训和经验有助于准确制定假设以实施成功的解决方案。Newton-Raphson 方法是求解器的核心，当出现不收敛时，将采用系统方法来诊断和解决问题。

在此过程中，部分结果、错误消息和动画非常有价值，可以指导修改以实现成功的结果。持久性是必需的，因为初始尝试有时只能解决问题。

最终，以毅力为后盾的系统化和知识渊博的方法对于掌握 Abaqus/Standard 中有限元模型的调试至关重要。

要了解有关在 Abaqus/Standard 中掌握调试的更多信息，我们邀请您在此处访问我们录制的会议。