什么是 Abaqus 收敛？问得好！您是否知道有限元分析 (FEA) 和 Abaqus 中的收敛性涉及不同的方面？例如，求解精度和网格收敛性？在本篇博文中，我们将介绍 Abaqus 收敛性的各个方面和概念。此外，我们还将探讨“Abaqus 收敛性问题”。我们将解释所有这些内容，并解答一些常见问题，例如“什么是 FEA 收敛性问题？”、“如何识别 Abaqus 收敛性问题？”。此外，本文还将全面讨论 Abaqus 接触收敛性。好消息，您可以立即开始阅读。 CAE 助手, 在本博客末尾，您可以免费学习课程并获取免费的 Abaqus 收敛问题 PDF 文件。.
| Solver Message | Typical Cause | Engineering Meaning | Common Solutions |
|---|---|---|---|
| 为实现这一增量尝试了太多次 | Strong nonlinearity, contact instability, mesh distortion, large increment size | The solver repeatedly reduced the increment but Newton–Raphson iterations still could not converge | Reduce initial increment, refine mesh near nonlinear regions, improve contact definition, enable stabilization |
| 所需时间增量小于规定的最小值。 | Severe plastic deformation, buckling, sudden contact engagement | The solver needs a smaller increment than the minimum allowed to maintain convergence | Reduce minimum increment size, improve mesh quality, introduce geometric imperfections for buckling problems |
| High iteration count per increment (7–10+ iterations) | Strong material or geometric nonlinearity | Solver is approaching the limit of the Newton–Raphson convergence radius | Reduce increment size, adjust loading path, improve mesh in high strain areas |
| Residuals increasing during iterations | Contact instability, excessive friction, poor contact discretization | Contact constraints introduce abrupt stiffness changes causing divergence | Refine mesh at contact interface, use contact stabilization, adjust friction coefficient |
| Excessive element distortion detected | Large deformation with poor mesh quality | Distorted elements degrade stiffness calculations and cause convergence problems | Refine mesh, use structured mesh, reduce increment size during large deformation |
1. Abaqus收敛性问题 | 引言
使用 ABAQUS 软件的工程师主要有两种求解方法。 有限元分析 （有限元分析）问题。第一种方法称为“隐式”，用于 ABAQUS/Standard；第二种方法称为“显式”，用于 ABAQUS/Explicit（Abaqus 标准版与 Abaqus 显式版的比较).
这两种方法的主要区别在于它们解决问题的方式。隐式方法将方程组以矩阵形式表示，并使用数值方法求解。而显式方法则不将方程组表示为矩阵形式，而是采用时间步进和数值方法求解问题。 隐式方法, 有限元分析收敛性问题可能 有时会出现, 而 显式方法, 收敛问题是 可能性较小, 尽管某些特定元素可能会出现元素畸变问题。.
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2. 有限元分析收敛性问题 | Abaqus 中的收敛性是什么？
简单来说，Abaqus中的收敛性指的是解的稳定性和精度。它表示用于求解问题的数值计算已经稳定，并达到一个临界点，进一步迭代不会显著改变结果。.
可以把它想象成攀登一座山。Abaqus 中的迭代过程就像是朝着山顶（即最终解）迈进。收敛意味着到达一个平台期，此时继续前进不会导致高度发生显著变化。.
在 Abaqus 中，收敛是指成功求解有限元方法方程：
“K”是刚度矩阵，“U”是位移矩阵，“F”是力矩阵（参见图1示例）。当该方程求解正确时，我们将得到精确的结果，此时我们称之为“收敛性问题”。如果方程无法求解或存在导致结果不准确的问题，则我们称之为“有限元分析收敛性问题”。”
图 1 为一个 6×6 维刚度矩阵的示例
2.1. 有限元分析中收敛的不同含义
在有限元分析中，“收敛”可以有多种含义，例如：
- 网格收敛
- 时间积分精度
- 非线性求解过程的收敛性
- 解的精度
笔记： 您可以在本教程中了解以上所有含义的更多信息。“ABAQUS中的非线性与收敛性简介“。”.
你可能会想知道这些含义是什么，乍一看，谈到‘网格收敛’时，你总是会想到“网格收敛”，但正如你所看到的，我们将介绍收敛的四种不同含义。.
2.1.1. 网格收敛
有限元分析的解高度依赖于网格尺寸和单元类型。使用足够精细的网格至关重要，以确保Abaqus仿真结果的准确性。当进一步细化网格对解的影响可以忽略不计时，即可认为网格已收敛。.
图 2：网格收敛示例
对于 Abaqus 中的任何模拟，都需要进行网格收敛性研究，以确保结果收敛，从而保证网格方面的准确性和可靠性。.
要进行网格收敛性研究，请按照以下步骤操作：
- 首先创建包含尽可能少的合理单元的网格，然后分析你的模型。.
- 通过增加单元数量来提高网格密度，再次分析模型，并将新结果与之前的结果进行比较。.
- 继续此过程，增加网格密度并重新分析，直到结果显示出令人满意的收敛性。.
您无需细化整个模型网格，因为这会增加整体计算成本。您可以针对分析中确定的关键区域进行网格细化。.
为此，您还可以使用“Abaqus自适应网格重划分”功能，该功能提供了一个自动化的自适应网格重划分流程。自适应网格重划分的目标是使指定模型及其载荷历史的选定误差指标达到或接近目标值。.
网格尺寸和模型中使用的单元类型都可能导致收敛问题。为了更好地了解 Abaqus 中的网格划分技术，我们建议阅读以下文章：
掌握 Abaqus 网格划分：Abaqus 网格划分技术指南
2.1.2. 时间积分精度
时间增量的大小是影响解收敛性的重要因素，尤其是在问题具有瞬态特性和物理时间尺度时。Abaqus/Standard 提供容差参数来指示近似时间积分所需的精度水平。.
以下容差参数可用于特定的分析程序：
图 3：定义时间积分的容差参数
在任何使用自动时间增量的瞬态分析中，其中一些容差：, 
, 将会激活。相应的积分精度指标，, 
, 将会针对步长中的每个增量进行计算。Abaqus/Standard 将使用这些值，并根据本节所述的标准调整时间增量。如果激活了多个精度指标，则使用所有标准所需的最小时间增量。.
对于步骤中任何处于激活状态的控制 J，如果时间增量过大而无法满足时间积分精度要求，则从以下时间增量重新开始增量计算：
您可以在此处定义值 
. 。 默认情况下，, 
.
半步残差 
半步残差是指时间步长一半时的平衡残差（失衡力）。如果半步残差较小，则表明解的精度较高，可以安全地增大时间步长；反之，如果半步残差较大，则应减小解的时间步长。.
在定义“动态隐式”步时，您可以在‘增量’选项卡中手动定义半步残差容差，如图 4 所示。.
图 4：定义半步残差容差
- 如果
高精度 - 如果
准确度中等偏好 - 如果
时间步长相当粗糙。
高精度
准确度中等偏好
时间步长相当粗糙。( 
是无阻尼弹性系统中实际力的典型大小）。.
瞬态过程中的时间增量 传热分析 可以直接由您控制，也可以由 Abaqus/Standard 自动控制。通常优选自动时间增量。时间增量可以根据用户设定的增量内允许的最大节点温度变化自动选择。, 
.
在定义“热传递”步骤时，您可以在‘增量’选项卡中手动定义每个增量的最大允许温度变化，如图 5 所示。.
图 5：定义每次增量的最大允许温度变化
Abaqus/Standard 在显式积分过程中会自动监测稳定性极限。在模型中的任何一点，如果蠕变应变增量大于总弹性应变，则问题将变得不稳定，Abaqus 将计算一个新的、更小的稳定时间步长。.
在定义“Visco”步骤时，您可以在‘增量’选项卡中手动定义蠕变容差，如图 6 所示。.
图 6：定义蠕变容差
2.1.3. 非线性求解过程的收敛性
非线性问题在科学、工程和数学等各个领域中频繁出现。由于变量之间存在非线性关系，这些问题表现出复杂的行为。处理非线性问题的一个根本挑战是确保所提出的解的收敛性。.
您可以通过教程中的实际示例，更深入地学习收敛性以及收敛技巧和非线性问题。“Abaqus非线性与收敛性教程“。”.
对于非线性问题，必须采用迭代数值方法才能求解。非线性平衡方程的一般形式为：
如您所见，刚度矩阵也取决于位移值，而位移值必须通过求解得到。因此，像 牛顿-拉夫逊 必须实施该方法才能找到解决方案。线性问题和非线性问题将在下一部分讨论。图 7 显示了使用“直接法”求解非线性问题的示意图。.
图 7：非线性问题的收敛性
笔记： 学习 Abaqus非线性 分析与线性分析.
2.1.4. 解的精度
准确度是指测量值与真实值接近的程度。一个准确的解需要满足所有上述收敛条件，包括：
- 收敛网格
- 瞬态问题的精确时间积分
- 非线性求解过程的正确收敛性
- 此外，准确的解决方案需要良好的工程判断力来创建合适的有限元模型，包括材料（Abaqus材料模型）、载荷、边界条件和求解程序
3. ABAQUS收敛问题的症状
那么，我们如何判断是否存在有限元分析收敛问题呢？运行作业时，点击“监控”按钮即可查看求解过程。如图2所示，有“错误”和“警告”两个选项卡。您可以看到一些消息，其中会告知您存在的问题。此外，您还可以在“.msg”（标准求解器）、“.dat”和“.sta”（显式求解器）文件中找到更多信息。这些收敛问题在非线性模型中比在线性模型中更为常见。图8展示了一些此类症状的示例。.
图 8：监视器窗口中的一些警告/Abaqus 收敛问题
4. 为什么我们会遇到 ABAQUS 收敛问题？ | Abaqus 收敛问题
本节将解释ABAQUS收敛问题的原因。可能存在比这里讨论的更多的问题，但我们主要讨论了最重要和最常见的问题。.
有限元建模中模型不完整或存在缺陷是导致收敛问题的最常见原因；例如：
- 定义了不恰当的约束条件，导致边界条件或接触条件发生冲突。.
- 使用错误的元素。.
- 在属性模块中定义不合格材料。.
- 定义不恰当的边界条件或接触可能会导致 Abaqus 接触收敛问题。.
- 对不稳定的物理系统进行建模。.
- 设置不合适的增量大小可能会导致你离解决有限元分析收敛问题越来越远。.
你可以学习 收敛技术 在这方面 教程.
现在，我们将解释导致 Abaqus 收敛问题的几种常见冲突。图 9 给出了一个示例。假设你有一个盒子，并对其施加了一定的压力。你想计算应力；如果你不定义边界条件，盒子就会移动，软件将无法计算应力，从而出现错误。请注意，这种情况仅在分析静态问题并使用“静态”步骤时才会发生。另一个例子是，如果你同时约束一个表面并对其施加压力（参见图 10），软件也会显示错误；因为不可能同时固定表面并施加压力（边界条件不合适）。通常，这些错误被称为“零枢轴误差“。”.
图 9：无边界条件的加压箱
图 10 不合适的边界条件
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5. 识别 ABAQUS 收敛问题
在此，我们旨在提出一些建议，帮助您识别导致问题、“错误”和“警告”的症状和原因。一般方法是列出最有可能的原因，然后逐一检查软件的变化。最后，逐一修复这些问题。以下是我们的一些建议：
5.1. 最好的方法之一是模拟一个更简单的模型：
- 如果可能，尽量制作二维模型或线性模型，以减少细节和元素。.
- 如果可能，不要输入塑性或非线性几何形状来了解模型的行为。.
- 在由多个部件组成的模型中，一次插入一个部件，以最大限度地减少有限元分析收敛问题源的数量。.
笔记： 记住要时刻谨记 Abaqus 单位 你在模拟中使用的。.
5.2. 设置增量值
设置合适的增量值，包括初始增量、最小增量、最大增量和最大增量次数。要了解有关增量的更多信息，, 点击这里.
图 11 静态常规步进窗口和增量选项卡
当 ABAQUS 标准求解器开始运行作业时，它会将步长分割成您指定的最大增量数（系统默认值为 100）。求解器会根据指定的增量大小（图 11）开始运行作业。在 ABAQUS 标准求解器中使用增量时，您通常会遇到以下三种错误，这些错误通常表明 ABAQUS 存在收敛问题：
“为实现这一增量尝试了太多次“;”表示求解器多次尝试计算此增量的方程，但未满足有限元分析收敛条件；点击查看如何解决此错误： Abaqus错误：尝试次数过多导致此增量错误 | 原因及解决方法
“完成此步骤所需的增量太多“; 表示求解器需要更多增量；因此，您必须增加“最大增量数”，直到克服此收敛问题。.
“所需时间增量小于规定的最小值。“; 出现此错误时，您必须减小“增量大小”中的“最小值”以满足收敛条件。.
在 Abaqus 中，“所需时间增量小于指定的最小值”错误通常发生在求解器判定需要使用小于指定最小值的时间增量才能保持求解精度或稳定性时。这可能是由于高度非线性行为（例如接触变化或材料非线性）导致需要更小的增量才能收敛。.
通过本次研讨会，您可以了解“时间增量”在模拟中的影响：“非线性弹簧建模“。”.
阅读更多： Abaqus教程PDF和视频
阅读更多： Abaqus Step 清晰指南, Abaqus增量
5.3. 查看有限元分析收敛问题的原因
请查看 .dat、.sta、.msg 和 .odb 文件中报告的收敛问题的原因。.
您可以在消息文件中添加更多信息。例如，在模型输入文件（.inp）中使用关键字命令“*PRINT, CONTACT=YES”即可在消息文件中添加接触信息。这有助于您发现 ABAQUS 的接触收敛问题。此外，您还可以使用命令“*PRINT, PLASTICITY=YES”来获取材料问题的积分点编号和单元输出。您可以使用“*PRINT”命令在消息文件（.msg、.sta）中添加更多信息。请耐心阅读，我们将向您解释如何使用此命令。.
首先，您需要了解输入文件（.inp）。输入文件是 ABAQUS 文件之一，其中包含模型数据，例如载荷、步长等。它类似于“.cae”文件，但体积更小，您可以将其在文本窗口中打开并进行任何所需的更改。当您完成模型创建并为其创建作业后，在运行作业之前，您可以通过单击“作业管理器”窗口中的“写入输入”按钮（参见图 12）来创建模型的输入文件。您可以将输入文件在文本窗口中打开并进行任何所需的更改；然后，要将其用于 ABAQUS，请按照图 13 所示打开该文件。.
图 12 创建输入文件
图 13：在软件中打开输入文件
现在，既然您已经了解了什么是输入文件，那么让我们使用“*PRINT”命令。您可以在ABAQUS文档的关键字部分（图14）找到有关“*PRINT”命令或任何其他关键字的说明。.
图 14 在 ABAQUS 文档中查找 PRINT 关键字
如图 15 所示，通过“编辑关键字”窗口打开输入文件；然后，找到定义加载条件的行；在这些行之后、“*END STEP”之前，您可以添加“*PRINT”命令，然后单击“确定”按钮。运行作业后，您将在 .msg（标准求解器）和 .sta（显式求解器）文件中看到结果。现在，您已经了解如何编写、使用和修改输入文件。.
图 15 输入 PRINT 命令
5.4 接触收敛问题和接触定义
接触问题导致 Abaqus 仿真不收敛的主要原因有两个： Abaqus接触收敛
- 不稳定的接触： 接触本身就会给模型带来不稳定性。想象一下两个刚性表面相互摩擦。这种相互作用会导致作用在部件上的力发生巨大而突变，Abaqus 很难通过数值方法求解。.
- 错误的联系人定义： 如果部件之间的接触定义不正确，会导致模型出现不切实际的行为。例如，您可能忘记定义本应接触的表面之间的接触，或者可能针对所模拟的交互类型使用了错误的接触公式。这会导致力过大或过小，甚至导致部件相互穿过，所有这些都可能引发收敛问题。.
以下是一些解决这些问题的方法：
- 接触稳定： Abaqus 提供接触控制功能，有助于在分析过程中稳定解。这些控制功能包括摩擦耗散和罚函数刚度缩放等。
- 细化网格： 更精细的网格有时有助于提高接触解的精度和稳定性。这是因为更精细的网格能够更精确地表示接触面。.
- 验证联系人属性： 请仔细检查您是否已正确定义接触属性，包括接触类型、接触表面以及任何相关的摩擦系数或粘附系数。.
通过仔细考虑这些因素，您可以提高在涉及接触的 Abaqus 模拟中实现收敛的几率。.
5.4.1 现实中两个表面通常接触且无穿透，那么什么是正接触？请告诉我如何在 Abaqus 中定义它？
在 Abaqus 中，现实生活中不穿透的两个表面之间的正常接触通常用以下方式定义： 一般联系方式 交互属性。此属性允许表面之间分离（打开）和闭合（压缩）。以下是其定义方法：
- 表面定义：
首先，您需要定义相互接触的表面。Abaqus 提供了多种定义表面的选项，例如：
- 基于元素的曲面： 这是最常用的方法。您可以选择元素（节点）的特定面来创建接触面。.
- 基于节点的曲面： 您可以直接选择单个节点来定义接触面。.
笔记： 为了正确定义表面并处理表面接触问题，我们建议阅读文章“表面相互作用 Abaqus“。”.
- 交互属性：
- 在 Abaqus/CAE 的交互模块中，创建一个新的交互属性。.
- 选择“一般联系”作为互动类型。.
- 为交互属性指定一个名称。.
- 联系物业：
- 正常行为：
- 选择“硬接触”作为正常行为（硬接触 Abaqus此选项可防止表面相互渗透。.
- 您还可以选择定义压力-过闭合关系，以模拟更复杂的接触行为。.
- 切线行为：
- 默认情况下，Abaqus 假设无摩擦接触。.
- 如果表面之间存在摩擦，则可以定义摩擦系数。.
- Abaqus 提供多种摩擦模型，例如惩罚摩擦或指数衰减摩擦。.
- 其他选项：
- 您可以在一般接触定义中调整各种其他选项，例如表面平滑或接触刚度缩放，以改善收敛性或改进接触行为。.
- 分配交互：
- 定义接触属性后，将其分配给将要接触的表面集。.
在下面的视频中，您可以熟悉交互模块以及如何定义联系人。.
本文旨在探讨 ABAQUS 的收敛性问题。我们分析了有限元方法如何依赖于一个基本方程，以及当该方程无法求解时，如何导致有限元分析 (FEA) 收敛性问题。此外，我们还讨论了 ABAQUS 收敛性问题的症状、出现原因、识别 ABAQUS 收敛性问题的方法，以及 FEA 收敛性问题背后的原因。.
我们， CAE 助手 各位团队成员，希望这篇文章能为你们提供足够的关于 Abaqus 收敛问题和 Abaqus 接触收敛问题的信息。接下来的文章将重点介绍解决 Abaqus 错误（特别是收敛问题）的工具和方法。您可以点击“ABAQUS错误调试”欲了解更多信息。.
请与我们分享您的看法。 评论 部分内容。我们非常感谢您的反馈，这有助于我们改进教程，并在无需额外教程的情况下满足您所有的 CAE 需求。查看以下内容将对我们很有帮助。 Abaqus 文档 要理解为什么在没有任何辅助工具的情况下启动 Abaqus 仿真会如此困难 Abaqus教程. 此外，您还可以点击“获取本文的PDF版本，以查看有限元分析收敛问题”。“Abaqus收敛问题PDF.”
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6. 用户会问这些问题
现在，让我们来看看用户经常提出的一些问题，我们尽力给出了最好的答案。.
我。. 位移控制或负载控制
问： 在Abaqus分析中，拉伸载荷下，轴向位移和集中力哪个更好？
一个： 在纯拉伸情况下，最好使用位移而非力；因为这样可以最大限度地减少收敛问题，并且更容易控制迭代求解过程。如果分析的是纯弯曲，则应使用位移/转角而不是集中力矩载荷，而不是力矩。.
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Abaqus收敛问题背后的原因是什么？
导致收敛问题的最主要原因有：
- 定义不恰当的约束条件可能会导致边界条件或接触条件发生冲突。.
- 使用错误的元素。.
- 在属性模块中定义不合格材料。.
- 定义了不恰当的边界条件或接触点。.
- 对不稳定的物理系统进行建模。.
- 设置了不合适的增量大小。.
Abaqus中的收敛是什么意思？
有限元方法使用以下主要方程来解决问题：F=K×其中，“K”是刚度矩阵，“U”称为位移矩阵，“F”是力矩阵。当这个方程被正确求解时，我们将得到精确的结果，这里我们称之为“问题收敛”。.
遇到收敛问题时我们应该怎么办？
- 首先，检查所有边界条件、接触条件、材料属性和载荷条件。.
- 然后，在由多个部件组成的模型中，一次插入一个部件，以最大限度地减少问题来源的数量。.
- 如果收敛问题仍然存在，请尝试使用更简单的二维模型进行模拟，或者在材料行为中禁用塑性属性。此外，请查看 (.dat)、(.sta)、(.msg) 和 (.odb) 文件中报告的收敛问题原因。.
“此增量尝试次数过多”的错误是什么意思？
阅读本文了解详情：“为实现这一增量尝试了太多次t”.
如何从 .sta 和 .msg 文件中提取收敛问题的原因？
您可以使用“*PRINT”命令在消息文件（.msg、.sta）中添加更多信息。首先，打开输入文件并添加所需的“*PRINT”命令；然后，运行输入文件。作业运行后，您将在 .msg（标准求解器）和 .sta（显式求解器）文件中看到结果。.
感谢您阅读本文。为了始终为您提供最新、最吸引人的内容，我们需要了解您的教育和职业经历，以便为您提供最有用的文章和课程。.
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