分享

Abaqus 显式与隐式的区别

 SKxuan214 2016-05-17

ABAQUS中动态分析包括两大类基本方法:
①振型叠加法:用于求解线性动态问题;
②直接积分法:主要用于求解非线性动态问题。
ABAQUS显式(explicit)和隐式(standard)算法分别对应着直接积分法中的中心差分法(显式)和Newmark(隐式)法等。
比较两种算法,显式中心差分法非常适合研究波的传播问题,如碰撞、高速冲击、爆炸等。显式中心差分法的M与C矩阵是对角阵,如给定某些有限元节点以初始扰动,在经过一个时间步长后,和它相关的节点进入运动,即U中这些节点对应的分量成为非零量,此特点正好和波的传播特点相一致。另一方面,研究波传播的过程需要微小的时间步长,这也正是中心差分法的特点。
而Newmark法更加适合于计算低频占主导的动力问题,从计算精度考虑,允许采用较大的时间步长以节省计算时间,同时较大的时间步长还可以过滤掉高阶不精确特征值对系统响应的影响。隐式方法要转置刚度矩阵,增量迭代,通过一系列线性逼近(Newton-Raphson)来求解。正因为隐式算法要对刚度矩阵求逆,所以计算时要求整体刚度矩阵不能奇异,对于一些接触高度非线性问题,有时无法保证收敛。
下面分别介绍这两种算法。
1.显式算法(中心差分法)

假定 0,时刻的节点位移,速度与加速度均为已知,现求解时刻的结构响应。中心差分法对加速度,速度的导数采用中心差分代替,即为:

将(1)式代入运动方程后整理得到:

式(2)中:

分别称为有效质量矩阵,有效载荷矢量。R,M,C,K为结构载荷,质量,阻尼,刚度矩阵。

求解线性方程组(2),即可获得时刻的节点位移向量,将代回几何方程与物理方程,可得时刻的单元应力和应变。

中心差分法在求解瞬时的位移时,只需时刻以前的状态变量,然后计算出有效质量矩阵,有效载荷矢量,即可求出,故称此解法为显式算法。

中心差分法,在开始计算时,需要仔细处理。t=0时,要计算,需要知道的值。因此应该有一个起始技术,因而该算法不是自动起步的。由于是已知的,由t =0 时的(1)式可知:

中心差分法中时间步长的选择涉及两个方面的约束:数值算法的稳定性和计算时间。中心差分法的实质是用差分代替微分,并且对位移和加速度的导数采用线性外插,这限制了的取值不可过大,否则结果可能失真过大。

可以证明:中心差分法是条件稳定的。即当时间步长必须小于由该问题求解方程性质所决定的一个时间步长的临界值。

2 隐式算法(Newmark 法)
Newmark 假定在时间间隔内,加速度线性变化,即采用如下的加速度,速度公式:

式中为按积分的精度和稳定性要求可以调整的参数。

根据(6)式可给出表示的表达式,代入运动方程中整理得到:

称之为有效刚度矩阵和有效载荷矢量。由上式可以看出求解当前,需要用到当前时刻的,因此该算法为隐式算法。

当载荷历史全部已知时,为已知量,求解需要迭代实现。

可以证明,当参数时,Newmark 法是无条件稳定的,即的大小不影响数值稳定性。此时时间步长的选择主要根据解得精度确定。一般,Newmark 法可以比中心差分法的时间步长大得多。

______________________

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多