质量缩放abaqus

质量缩放质量缩放 ABAQUS Analysis User s Manual 11 7 1 简介简介 显示动态过程常用于解决以下两类问题 瞬时动态响应计算和含复杂非线性效应 最常 见的是复杂的接触条件 的准静态模拟 由于求解动态方程时采用了显示中心差分法 平衡方程中离散的质量矩阵对计算效率和精度都起到了关键性的影响 如果恰当地运用 质量缩放方法 可以在保证计算精度的情况下 大大提高计算效率 然而 最适合于准 静态模拟的质量缩放技术与动态分析中必须采用的质量缩放方法存在很大差异 准静态分析或某些动态分析中 少数尺寸较小的单元控制稳态时间增量 为提高计算效 率 ABAQUS Explicit 常采用质量缩放的方法 质量缩放可用于 缩放整个模型 单个单元或单元组的质量 多步分析中 缩放每个分析步中的质量 分析步起始或整个过程中进行质量缩放 质量比例缩放可通过以下方式执行 采用给定的常数因子对特定单元进行质量缩放 对所有指定的单元采用相同比例因子进行质量缩放 使单元组内任意单元的最小 稳态时间增量等于用户给定的时间增量 仅对单元组内稳态时间增量小于用户给定时间增量的单元进行质量缩放 使这些 单元的稳态时间增量等于用户给定的时间增量 缩放所有指定单元的质量 使每个单元的稳态时间增量等于用户给定的时间增量 对于金属成形分析 基于网格的几何形状和初始条件 自动进行质量缩放 准静态分析准静态分析 对于应变率无关材料的准静态分析 自然时间并不重要 为节省计算时间 有效的办法 是有两种 减少分析的时间步长或人为地增加模型的质量 质量缩放 对于率无关材 料 这两种方法产生的效果相同 但如果模型中含有率相关材料 首选质量缩放方法 因为该方法保留了自然时间 准静态分析的质量缩放方法通常用于整个模型上执行 然而 当模型各部分的刚度和质 量不同时 常选中模型的某部分进行质量缩放或对每部分分别进行缩放 任何情况下 都没有必要减小模型质量的实际值 并且随意地增加质量通常都会影响到计算精度 对 于大多数准静态问题 一定程度的质量缩放可以增加 ABAQUS Explicit 时间增量 从而 减小计算时间 然而 必须保证质量的改变和随之增加的惯性力对计算结果没有显著影 响 诚然 修改材料密度也可以达到质量缩放的效果 但本节描述的方法灵活性更大 特别 是在多步分析中 有关准静态过程中质量缩放的讨论 可参看 Rolling of thick plates Section 1 3 6 of the ABAQUS Example Problems Manual 动态分析动态分析 动态分析中 自然时间度量非常重要 为了获得瞬态响应 必须精确地表示模型的实际 质量和惯性 然而 许多复杂的动态模型包含了一些尺寸极小的单元 使显示动态分析 采用很小的时间增量 这些小尺寸单元通常是在生成复杂网格时形成的 通过在分析步 起始时对这些控制单元的质量进行缩放 可以显著地增加稳态时间增量 而对整个模型 的动态行为的影响可以忽略不计 对真正的动态问题 只能对少数单元进行质量缩放 并且不允许明显地增加整个模型的 质量 否则会降低动态结果的精度 有关动态分析中采用质量缩放的讨论 可参看 Impact of a copper rod Section 1 3 10 of the ABAQUS Benchmarks Manual 稳态时间增量稳态时间增量 本节中 单元稳态时间增量 是指单个单元的稳态时间增量 单元 单元稳态时间 增量 是指某个单元组内单元稳态时间增量的最小值 稳态时间增量 是指整个模型 的稳态时间增量 模型中引入质量缩放模型中引入质量缩放 显示动态分析中有两种质量缩放方法 定比例质量缩放和变比例质量缩放 两种方法可 以分开使用 也可以结合起来使用 质量缩放可用于整个模型 也可以用在单元组上 定比例质量缩放定比例质量缩放 定比例缩放方法是对组装成全局节点质量阵的单元质量进行缩放 该方法在分析步起始 时执行 缩放后的质量阵接着用于该分析步的每个增量步 除非同时采用了变比例缩放 如果接下来的分析步中没有重新定义质量缩放 定比例缩放方法将延续下去 定比例缩放的两种基本方法 直接定义质量缩放因子 或者用户定义最小的稳态时间增 量 由显示动态分析过程来确定质量缩放因子 定比例缩放方法简单 在分析步起始时修改准静态模型的质量 或修改动态模型少数单 元的质量 使它们不控制稳态时间增量的大小 由于只在分析步起始时执行一次质量缩 放 因此该方法的计算效率很高 Input File Usage FIXED MASS SCALING ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step 变比例质量缩放变比例质量缩放 在分析步中变比例缩放方法同期性地缩放单元质量 当采用此类型的质量缩放方法时 需定义最小的稳态时间增量 质量缩放比例因子自动计算 并按要求施加到单元上 当分析步中控制稳态时间增量的刚度变化剧烈时 变比例缩放非常有用 准静态体积成 形分析和单元压缩量很大的动态分析中常会出现这样的情形 Input File Usage VARIABLE MASS SCALING ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale Throughout step 直接定义质量缩放因子直接定义质量缩放因子 对于动能必须保持很小的准静态分析中 直接定义质量缩放因子很有用 用户可以对指 定单元组内的所有单元定义一个固定的质量缩放因子 这些单元的质量在分析步开始时 被缩放将在整个分析步中保持不变 除非通过变比例质量因子进一步修改质量 Input File Usage FIXED MASS SCALING FACTOR scale factor 例如 将单元组内的单元质量放大 10 倍 FIXED MASS SCALING FACTOR 10 ELSET elset ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step Scale by factor scale factor 定义理想的单元 单元稳态时间增量定义理想的单元 单元稳态时间增量 对于定比例或变比例质量缩放方法 用户可以对单元组定义单元 单元稳定时间增量 ABAQUS Explicit 将确定必要的质量缩放因子 定义单元 单元稳态时间增量时 有三 种互斥的质量缩放方法可供选择 下面对各种方法进行详细阐述 为了确定各增量步的稳态时间增量 ABAQUS Explicit 首先以单元 单元为基础确定最 小的稳态时间增量 然后 根据模型的最高频率用全局估计的算法确定稳态时间增量 选用两种估计值中较大者作为稳态时间增量 一般来说 全局估计器确定的稳态时间增 量大于单元 单元估计器确定的值 当采用定比例或变比例质量缩放方法 并且对单元 组指定单元 单元稳态时间增量时 直接影响到单元 单元稳态时间增量的估计值 如 果模型中所有单元采用单一的质量缩放定义 则单元 单元估计值将等于单元 单元稳 态时间增量给定值 除非采用了罚方法强加接触约束 罚接触会导致单元 单元估计值 比单元 单元稳态时间增量值的给定值略小 由于使用了全局估计器 实际使用的稳态 时间增量值可能大于单元 单元稳态时间增量给定值 如果仅对模型的一部分执行质量 缩放 没有经过质量缩放的单元 它们的单元稳态时间增量可能小于单元 单元稳态时 间增量的给定值 这些单元将控制单元 单元稳态时间增量的估计值 结果 仅对部分 模型进行质量缩放时 时间增量通常都不等于单元 单元稳态时间增量 如果显示动态分析步的定比例时间增量尺度是以初始的单元 单元稳态极限为基础或者 直接指定的 将按 6 6 3 节描述的规则计算使用的时间增量 均匀缩放质量均匀缩放质量 对于要求模型的动能保持很小的准静态分析 均匀缩放质量很有用 这种方法与直接指 定比例因子相似 两种情况下 所有单元的质量都统一地根据单一比例因子进行缩放 然而 用均匀质量缩放方法 质量缩放因子由 ABAQUS Explicit 确定 而不是由用户指 定 对所有单元施加均匀的 相同的质量缩放因子 使得这些单元中的最小稳态时间增 量等于单元 单元时间增量的给定值 dt Input File Usage Use either of the following options FIXED MASS SCALING TYPE UNIFORM DT dt VARIABLE MASS SCALING TYPE UNIFORM DT dt ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step or Throughout step Scale to target time increment of dt Scale element mass Uniformly to satisfy target 仅对单元稳态时间增量低于给定值的单元进行质量缩放仅对单元稳态时间增量低于给定值的单元进行质量缩放 仅缩放单元稳态时间增量低于给定值的单元 适用于准静态分析和动态分析 对于增加 关键单元的稳态时间增量非常有用 分析步开始时网格包含了控制稳态时间增量的小单元时 采用定比例的方式缩放这些单 元的质量 并且以理想的时间增量开始分析 只增加控制单元的质量意味着可显著提高 稳态时间增量 但对整个模型的影响可以忽略不计 对于累积变形产生一定数量的小单元的分析过程 采用变比例的方式对这些单元进行质 量缩放 从而限制稳态时间增量的下降 Input File Usage Use either of the following options FIXED MASS SCALING TYPE BELOW MIN DT dt VARIABLE MASS SCALING TYPE BELOW MIN DT dt ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step or Throughout step Scale to target time increment of dt Scale element mass If below minimum target 通过质量缩放使所有单元具有相等的单元稳态时间增量通过质量缩放使所有单元具有相等的单元稳态时间增量 对所有单元进行质量缩放 致使它们具有相同的稳态时间增量 有效地影响到模型的特 征频谱 由于会引起质量属性的剧烈变化 所以这种方法只适用于准静态分析 并且它 意味着某些单元的比例缩放因子可能会小于 1 Input File Usage Use either of the following options FIXED MASS SCALING TYPE SET EQUAL DT DT dt VARIABLE MASS SCALING TYPE SET EQUAL DT DT dt ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step or Throughout step Scale to target time increment of dt Scale element mass Nonuniformly to equal target 全局质量缩放和局部质量缩放全局质量缩放和局部质量缩放 对单元组指定定比例或变比例的质量缩放 用于对模型的局部区域进行质量缩放 对于 指定的单元组 重复定义质量缩放方法时 局部定义将覆盖全局定义 Input File Usage Use either of the following options FIXED MASS SCALING ELSET elset VARIABLE MASS SCALING ELSET elset ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step or Throughout step Region Set elset 分析步开始时进行质量缩放分析步开始时进行质量缩放 定比例质量缩放仅用在分析步开始时指定质量缩放比例 并且通常缩放原始单元的质量 直接定义缩放因子时 用给定的缩放因子进行质量缩放 如果指定单元 单元稳态时间 增量 dt 基于该值进行质量缩放 如果缩放因子和单元 单元稳态时间增量都指定 首 先用质量缩放因子进行缩放 再依据单元 单元稳态时间增量和所选的定比例缩放类型 决定是否再进行缩放 局部的质量缩放针对特定的单元组定义 如果没有指定单元组 将对模型中所有单元采 用定比例质量缩放 每个单元组只允许使用一个定比例质量缩放 多个定比例缩放包含 的单元组不能有重叠部分 对指定单元组定义的局部质量缩放会覆盖全局质量缩放 Input File Usage FIXED MASS SCALING FACTOR factor DT dt TYPE type ELSET elset ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step Scale by factor factor Scale to target time increment of dt 例 对某个准静态分析过程 对模型的所有单元 定义质量缩放因子为 50 0 而且 假定定 义了该缩放因子后 少数极小的或形状极差的单元仍影响稳态时间增量 使之小于理想 值 为了进一步加大稳态时间增量 用以下选项 FIXED MASS SCALING FACTOR 50 TYPE BELOW MIN DT 5E 6 指定的缩放因子使模型中所有单元的质量放大 50 倍 如果质量放大 50 倍之后 仍有单 元的稳定时间增量小于 0 5 10E 6 这些单元的质量将进一步放在 使得单元的稳态时 间增量等于 0 5 10E 6 分析步中进行质量缩放分析步中进行质量缩放 指定单元 单元稳态时间增量的变比例质量缩放方法 可用于分析步起始和整个分析步 内 同时 必须指定频率或间隔数 用来定义质量缩放执行的频繁程度 不进行质量缩 放的增量步中 使用的时间增量一般都不同于单元 单元稳态时间增量的给定值 可以对特定的单元组定义局部质量缩放 并且每组单元只能定义一次 如果没有定义单 元组 将针对所有单元进行变比例缩放 多个变比例质量缩放所涵盖的单元组不能重叠 局部质量缩放覆盖全局质量缩放 Input File Usage VARIABLE MASS SCALING DT dt TYPE type ELSET elset ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale Throughout step Scale to target time increment of dt 等增量步间隔进行质量缩放等增量步间隔进行质量缩放 用户可以指定两次质量缩放之间的增量步数 例如 指定频率为 5 表示执行质量缩放 的时刻分别为分析步开始 第 5 第 10 第 15 个增量步 值得注意的是 选择过小的 频率会会增加计算时间 Input File Usage VARIABLE MASS SCALING TYPE type DT dt FREQUENCY n ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale Throughout step Scale to target time increment of dt Scale Every n increments 等时间间隔进行质量缩放等时间间隔进行质量缩放 另外 可以指定执行质量缩放的时间间隔 例如 对历时 1 0 秒的分析步指定时间间隔 为 5 表示执行质量缩放的时刻分别为分析步开始 0 2 秒 0 4 秒 1 0 秒 Input File Usage VARIABLE MASS SCALING TYPE type DT dt NUMBER INTERVAL n ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale Throughout step Scale to target time increment of dt Scale At n equal intervals 分析步的开始和过程中采用不同的质量缩放分析步的开始和过程中采用不同的质量缩放 对于有些情况 理想的做法是在分析步之初采用一种质量缩放方法 而分析过程中进行 修改 Input File Usage 采用以下两个选项 FIXED MASS SCALING FACTOR factor TYPE type DT dt init VARIABLE MASS SCALING TYPE type DT dt min FREQUENCY n or NUMBER INTERVAL n ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale At beginning of step Semi automatic mass scaling Scale Throughout step 举例举例 动态冲击分析中 网格中存在少数尺寸极小或形状极差的单元 这些单元控制了稳态时 间增量 分析步之初 可对这些单元进行质量缩放 此外 冲击导致部分区域内的网格 发生严重扭曲 稳态时间增量可能受冲击区内的单元控制 实质上 冲击区内的单元相对于刚性表面是稳态的 选择性地使用质量缩放方法可以保 证整个动态响应不受影响 用指定的时间增量对这些单元进行质量缩放 可以有效地地 减少计算时间 例如 采用定比例质量缩放 指定模型中所有单元的稳态时间增量下限值为 1 0E 6 此 外 采用变比例质量缩放 指定冲击区单元 elset1 的稳态时间下限值为 0 5E 6 这样 分析步开始时 检查所有单元 如果单元的稳态时间增量小于 1 0E 6 分别对这些单元 进行质量缩放 使之达到 1 0E 6 除单元组 elset1 之外 所有单元在随后的分析过程中 保持该质量缩放 在分析步中 变比例缩放影响单元组 elset1 使其稳态时间增量不小 于 0 5E 6 由于分析过程中只对单元组 elset1 进行了质量缩放 可能会出现整个模型的 稳态时间增量小于 0 5E 6 的情况 多分析步中的质量缩放多分析步中的质量缩放 从一个分析步转到另一个分析步 质量缩放可以保留 也可以删除 已经缩放过的单元 质量也可以重新初始化 跨分析步应用质量缩放方法 应遵循以下规则 如果新分析步中没有重新定义变比例质量缩放方法 前一步定义的变比例质量缩 放自动保留 如果新分析步中没有重新定义定比例质量缩放方法 前一步分析结束时 无论单 元的质量是否经过缩放 都将保留下来 多步分析中 除了第一步之外 分析步开始时由于使用了质量缩放 单元质量变化较大 可能会影响到质量的计算精度 当单元质量变化较大时 建议新分析步开始时 先用定 比例缩放的方法把单元质量重新初始化 使之回到原始值 然后再定义必要的质量缩 放方法 删除质量缩放删除质量缩放 在当前分析步中定义变比例缩放方法 将删除前一步中所有的变比例缩放 因此 为了 将保留前一步中的变比例缩放 当前分析步中应重新对其进行定义 Input File Usage VARIABLE MASS SCALING ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Semi automatic mass scaling Scale Throughout step 举例举例 假定在准静态分析的第一步 单元经历变形导致稳态时间增量急剧下降 此外 假定第 二步的变形对稳态时间没有明显影响 VARIABLE MASS SCALING TYPE BELOW MIN DT 1 E 5 FREQUENCY 10 VARIABLE MASS SCALING 第一步 定义每 10 个增量步对模型中所有单元进行一次质量缩放 单元 单元稳态时 间增量为 1 10 5 第二步 没有进一步采用质量缩放 沿用第一步经过缩放后的单元 质量 重新初始化重新初始化 对于第一个分析步之外的其他分析步 默认采用定比例缩放重新初始化单元质量 使之 回到原始值 这样 定比例质量缩放可用于防止缩放后的质量用于新的分析步 这种方 法适用于从准静态分析步 需要进行质量缩放 转到动态分析步 无需进行质量缩放 当缩放新分析步中的质量时 可以指定合适的比例因子 或者指定合适的单元 单元稳 态时间增量和缩放类型 当仅对部分单元进行质量缩放时 需定义单元组 Input File Usage Use the following option to reinitialize the mass of the entire model to its original value for a new step FIXED MASS SCALING ABAQUS CAE Usage Step module Create Step General Dynamic Explicit or Dynamic Temp disp Explicit Mass scaling Use scaling definitions below Create Reinitialize mass 举例举例 假定某个分析过程依次包括准静态分析和动态分析两步 在准静态分析步中执行质量缩 放 在动态分析步中关闭该功能 FIXED MASS SCALING TYPE BELOW MIN DT 1 E 5 FIXED MASS SCALING 第一个分析步中 定义分析步开始时整个模型的单元 单元稳态时间增量为 1 0 10 5 第二步中采用定比例缩放的方法将质量矩阵重新初始化 质量缩放适用场合质量缩放适用场合 质量缩放不会影响下列项目 热 力耦合中的热响应结果 重力载荷 粘滞压力载荷 绝