加快 Abaqus 中的准静态分析速度 | 提高 Abaqus 加载速率

在 Abaqus 准静态分析中增加加载速率

许多 Abaqus 用户都面临着一个共同的问题：他们的分析，尤其是 准静态分析, 完成这些分析需要很长时间，这可能会非常令人恼火。幸运的是，有两种方法可以加快 Abaqus 准静态分析的速度：一种是使用“Abaqus 质量缩放”，另一种是增加“Abaqus加载速率.本文将重点介绍后一种方法，即通过调整加载速率来加快分析速度。我们还将指导您如何在 Abaqus 中确定适合准静态分析的加载速率。.

准静态问题通常可以用 Abaqus/Standard 求解，但由于接触或材料性质的复杂性，可能难以收敛，导致迭代次数过多。具有挑战性的非线性准静态问题通常涉及：

* 接触条件非常复杂，由于接触问题，Abaqus/Standard 可能无法收敛。.

** 极大的形变可能导致严重的网格扭曲。.

例如，在金属成形分析中，我们通常会遇到以下困难：

例子： 深拉延过程中撕裂的模拟
用 Abaqus/Standard 对这类问题进行建模真的很难。.

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针对成型工艺，我们提供以下视频教程：

• 利用Abaqus CAE对冷轧铝合金槽型柱进行分析
• 冷成型模拟

介绍 冷轧铝合金槽钢柱的设计 冷轧铝合金槽型柱的常用分析方法 用于分析冷轧铝合金槽型柱的Abaqus软件 结果 谁将从这个项目中受益？

引言（冷成型残余应力分析） 研讨会 1：Abaqus 冷成形分析在卷绕和展开阶段的应用 研讨会 2：冷成形工艺引起的钢板残余应力评估 研讨会3：冷成形数值模拟 | 折弯阶段

Abaqus/Explicit 问题中的准静态分析

Abaqus/Explicit 在模拟高度非线性静态（准静态分析）问题方面效率更高。对于涉及接触和大变形的三维问题，例如金属成形，尤其如此。.

将 Abaqus/Explicit 应用于准静态事件建模需要特别考虑。在自然时间周期内对过程进行建模在计算上是不切实际的。实际上，这将需要数百万个时间增量。因此，我们 人为地加快这一过程 在模拟中获得经济的解决方案。.

获取经济高效的 Abaqus 准静态分析解决方案的两种方法是：

1. 提高Abaqus加载速率

我们可以通过提高 Abaqus 的加载速率来人为地缩短过程的时间尺度。提高加载速率可以缩短仿真的时间尺度，因此完成任务所需的增量次数更少。.

将负载率提高一倍 f, 分析速度提高了一倍 f.

2. 质量缩放

它增大了稳定时间增量的大小，因此完成任务所需的增量更少。人为地将材料密度（质量缩放）增加一个因子 f² 分析速度提高了一倍 f.

本文的重点是 提高 Abaqus 加载速率.

为了减少 Abaqus/Explicit 准静态分析中所需的增量次数，我们可以加快仿真速度，使其超过实际过程所需的时间——也就是说，我们可以人为地缩短事件的持续时间，或者提高加载速率。但这会引入误差。如果加载速率过高，增大的惯性力会改变预测的响应。在极端情况下，问题会呈现波传播响应。避免这种误差的唯一方法是选择一个不太大的加载速率。.

判断Abaqus加载速率是否合适

如前所述，降低准静态分析计算成本有两种方法：质量缩放和提高 Abaqus 中的加载速率。使用 Abaqus 的质量缩放功能时，系统的质量会乘以一个因子。虽然这可以降低计算成本，但过高的质量缩放系数可能会显著影响结果。此外，提高 Abaqus 中的加载速率可能会导致动态响应，而非准静态的 Abaqus 解。因此，这两种方法都必须谨慎使用。目前已提出了多种准则来检验 Abaqus 中的准静态分析是否具有足够的精度。.

1) 运行多次不同负载率的模拟

1. 按加载速率从快到慢的顺序运行一系列仿真。如您所知，Abaqus 加载速率越慢，分析时间越长。.
2. 检查结果（变形形状、应力、应变和能量），以了解在 Abaqus 中改变加载速率时模型变化的影响：

»钣金成形过程中过高的刀具转速往往会促进 不切实际的局部拉伸.

»在体积成形模拟中，过高的刀具速度会导致 喷射 （流体动力学型响应）。.

»过高的加载速率会导致 高度局部化的形变 在施加载荷附近。.

»过高的加载速率 Abaqus准静态坍塌分析 由于（非结构性）初始变形阻力增大，可能导致载荷-位移曲线初始斜率陡峭。有时，在施加载荷附近可能会发生局部屈曲。.

2) 利用固有频率检查 Abaqus 加载速率

准静态分析的主要响应是第一结构模态。因此，我们使用该模态的频率来估计合适的加载速率（Abaqus）：

1. 估计第一固有频率（f）模型。在简单的模型中，我们可以通过现有的解析关系式找到这个频率。对于更复杂的模型，首先，运行一个 频率 在 Abaqus 中进行分析。.
2. 计算相应的时间段（T）使用模型的第一固有频率：

T=1/f

3. 运行 明确的 分析（步骤时间=）T）并估计全球挠度（D）在此期间模型的影响方向（T）。（阅读更多关于 Abaqus 步进时间)
4. 计算冲击速度（V):

V=D/T

5. 一般建议将冲击速度限制在低于 1% 波速 该材料的典型波速为： 5000 米/秒.

笔记： 如果您想了解更多关于 Abaqus 中速度和速率的信息，请阅读这篇文章： 应用 Abaqus 速度 | 角速度与线速度

3) 准静态分析中动能与内能的比较

为了确保准静态行为，尤其是在 Abaqus 中通过显式步骤增加加载速率或定义质量缩放因子时，可以比较动能和内能。这有助于验证 Abaqus 中的质量缩放因子和加载速率是否足够小。对于对此方法的实际应用感兴趣的读者，下一节将进行讨论。.

在准静态分析中，保持可变形物体的动能低于总内能的临界百分比至关重要。Abaqus 文档建议将此临界范围维持在 5% 到 10% 之间。接下来，我们将解释如何在模拟中检查此准则。.

在 Abaqus 中定义动态显式步骤时，整个系统的能量会自动以历史输出的形式提取出来。要查看此过程，请在‘步骤’模块中创建一个动态显式步骤，然后单击‘历史输出管理器’图标。如下图所示，Abaqus 会自动为该显式步骤生成历史输出。.

您可以编辑已创建的历史输出，并取消选择不必要的结果。例如，如下图所示，我们取消选中了除 ALLIE 和 ALLKE 之外的所有能量分量。它们分别代表总内能和总动能。.

请注意，‘编辑历史记录输出请求’窗口中选择的动能包含刚体的能量。但是，如果您的模型包含已分配质量的刚体，则必须从总动能中减去刚体的动能。为此，首先创建一个包含所有带质量刚体的集合。为此，请导航至‘步骤’模块，单击‘工具’，然后选择‘集合’，最后单击‘创建’。选择‘几何体’作为类型，然后单击‘继续’。下图说明了该过程。.

现在，选择模型中的刚体，然后单击‘完成’。接下来，单击‘历史记录输出管理器’图标，并复制现有的历史记录输出，如下图所示。最后，单击‘确定’生成历史记录输出。.

接下来，在‘历史输出管理器’窗口中，选择第二个历史输出并单击‘编辑’。如下图所示，从‘域’下拉框中选择‘集’，然后选择包含刚体的集（例如，图中的集 6）。取消选中 ALLIE，因为它不需要，然后单击‘确定’继续。Abaqus 现在将提取刚体的动能。.

假设您已提交作业并已完成。您想检查解，以确定 Abaqus 中的加载速率是否足够小，从而获得准静态解。为此，请转到可视化模块，单击‘创建 XY 数据’图标，然后确保已选择‘ODB 历史输出’。最后，单击‘继续’。该过程如下图所示。.

之后，如图所示选择内能和动能，然后点击‘另存为’。请注意，如果您的模型中没有刚体，则只需选择总内能和总动能。否则，还必须选择刚体的动能。.

在显示的窗口中，选择‘保持原样’，然后单击‘确定’。如果您的模型中有已指定质量的刚体，请单击‘创建 XY 数据’图标，然后选择‘对 XY 数据进行操作’。单击‘继续’以继续。.

现在，选择总动能，然后点击‘添加到表达式’。接着，点击减号，选择刚体的动能。再次点击‘添加到表达式’，然后点击‘另存为’。该步骤如下图所示。.

为您的数据选择一个名称并保存。请注意，保存的数据是总动能减去刚体的能量。点击‘XY 数据管理器’图标，并选择操作数据和总内能。如果您的模型中没有指定质量的刚体，请选择总动能而不是操作数据。最后，点击‘绘图’。.

现在您已经绘制了内能和动能曲线，如下图所示。因此，您可以比较它们的比值，以确定 Abaqus 中的加载速率是否足够小，从而判断是否符合准静态解。.

此外，您可以点击‘创建XY数据’图标，然后选择‘对XY数据进行操作’。接下来，将动能除以总内能，检查该比值是否低于10%。如果该比值超过临界值，您可以降低质量缩放因子或在Abaqus中调整加载速率。.

示例（门梁入侵测试）

为了说明确定合适加载速率的问题，考虑汽车车门侧面防撞梁的变形。该测试属于 Abaqus 准静态分析的范畴。

我们将测试建模为圆形光束（长度为 我, 直径 d 以及厚度 t）两端固定，以及一个刚性圆柱体（直径为 D) 使梁发生变形。.

在这里，我们检查圆柱体的速度为 20 米/秒和 400 米/秒时，看哪一个速度适用于我们的问题。.

• 第一模态的频率约为 250 Hz： f=250
• 该速率对应的周期为 4 毫秒： T=1/250=0.004秒
• 分析表明，在20米/秒的速度下，圆柱体将被推入梁中。 0.1米 在 4 毫秒: D=0.1 米
• 冲击速度为：

V=D/T= 0.08/0.004= 20 米/秒

• 考虑到金属中的波速约为 5000 米/秒，因此冲击速度 25 米/秒约为 0.5% 波速（少于 1%).

如果我们检查速度为 400 米/秒，则波速约为 4%（不可接受).

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局限性

我。. 随着过程速度的增加，静态平衡状态会演变为动态平衡状态，惯性力也变得更加显著。我们应该尝试在惯性力仍然可以忽略不计的最短时间段（Abaqus 中最大加载速率）内对该过程进行建模。.

二、. 除了惯性力之外，问题的某些方面（例如材料行为）也可能与速率相关。在这种情况下，所建模事件的实际时间段无法改变。质量缩放方法在解决此类问题时就显得很有吸引力。.

使用平滑阶跃振幅曲线

我们可以通过逐步施加载荷来获得更精确的 Abaqus 准静态解。.

默认情况下，Abaqus/Explicit 中的载荷会立即施加并在整个步骤中保持不变。瞬时加载可能会导致应力波在模型中传播，从而产生不良结果。例如，恒定速度边界条件会导致可变形体受到突然的冲击载荷。.

我们可以通过在 Abaqus 准静态解中定义平滑阶跃振幅，使载荷从零逐渐增加（或减少）：

什么是准静态分析？

总之，准静态分析假设问题在任何特定时刻都可以视为静态的。其关键概念是，所施加的载荷变化非常缓慢，其频率远低于结构的固有频率。因此，结构的变形如同处于静态条件下一样，惯性的影响可以忽略不计。当惯性的影响极小时，该假设是有效的，并且允许将非线性问题简化为线性系统。.

从长远来看，准静态分析是工程和物理学中用于分析系统或结构在缓慢变化的载荷或条件下的行为的一种方法。它是一种简化的方法，假设系统在分析的每个阶段都保持平衡，忽略动态效应，仅考虑静态力。.

在准静态分析中，系统被划分为一系列静态平衡状态，并在每个阶段确定系统的响应。施加的载荷被假定为逐渐或增量变化，从而使系统能够在每个阶段进行调整并达到新的平衡状态。当惯性、振动和时变行为等动态效应与静态力和变形相比可以忽略不计时，通常采用这种分析方法。.

准静态分析广泛应用于结构工程、机械工程、土木工程和材料科学等多个领域。它帮助工程师和研究人员了解结构或系统在各种载荷作用下的响应，并计算应力、应变、位移和其他相关参数。通过将分析简化为静态平衡状态，它为预测受缓慢或渐进变化影响的系统的行为提供了一种实用且高效的方法。.

准静态分析与动态分析的区别

准静态分析和动态分析的主要区别在于前者考虑了时间相关效应，后者假设系统处于平衡状态。.

准静态分析假设系统或结构在分析的每个阶段都保持平衡状态，忽略惯性、振动和时变行为等动态效应。它适用于载荷或响应的时间尺度远大于动态效应特征时间尺度的情况。准静态分析计算量较小，通常能为缓慢变化或静态载荷提供合理的近似结果。.

另一方面，动力分析明确地考虑了系统或结构的瞬态行为。它考虑了惯性、阻尼和时变力的影响。当载荷或响应的时间尺度与动力效应的特征时间尺度相当或更大时，动力分析是必要的。它用于研究结构在快速或脉冲载荷、地震事件、振动和其他动力现象作用下的行为。.

准静态分析虽然更简单且计算量更小，但动态分析能更准确地描述系统在时变条件下的行为。然而，在某些情况下，需要将这两种方法结合起来。.

在动力分析中，有时需要将准静态分析作为整体分析的一部分。例如，当动力响应主要由某些频率或振动模态主导时，就需要进行准静态分析。在这种情况下，动力分析可以分为两部分：一部分是准静态分析，用于确定低频或初始阶段的响应；另一部分是动力分析，用于捕捉高频或时变行为。例如，在结构抗震分析中，可以先进行准静态分析，以评估结构在主要低频地震动作用下的响应；然后再进行动力分析，考虑高频分量以及结构与地基的相互作用。.

Abaqus准静态分析

如何判断我的模拟是否为准静态模拟？

一般来说, 模拟是 静止的 或者 准静态 如果激励频率小于 1/10 结构的最低固有频率。这一点在……中提到过。 Abaqus 文档:

“通常需要将加载时间增加到最低模态周期的 10 倍，以确保解是真正的准静态的。.“

在静态或准静态分析中，结构的最低阶振型通常主导响应。因此，知道最低阶振型的频率以及相应的周期，就可以估算获得正确静态响应所需的时间。固有频率可以使用以下方法轻松计算： 本征频率 Abaqus/Standard 中的提取过程 (频率 分析）。.

看看会很有帮助 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. 如果您想了解有关加载速率和质量缩放方法的完整信息，请观看以下演示视频。 Abaqus入门课程 包裹：

本文全面介绍了如何通过提高加载速率来加速 Abaqus 中的准静态分析。现在您可以选择合适的 Abaqus 加载速率，并使用我们讨论过的方法（例如‘运行多次仿真’和‘使用固有频率’）进行验证。此外，通过研究提供的示例，您可以更深入地理解 Abaqus 准静态问题。.

轮到你了 深入阅读文章并加入我们 测验！ 别忘了查看‘练习时间‘在本部分中，您需要进行入侵测试。请与我们 CAE 助手（您在 CAE 挑战中的助手）分享您的经验、问题或任何意见。”

测验时间！

1. Abaqus/standard 完全不适用于金属成形模拟。真的/错误的)

2. 拉伸是金属大体积成形工艺之一，Abaqus/explicit 在该工艺中的模拟效率更高。真的/错误的)

3. 我们通过提高 Abaqus 的加载速率来人为地延长该过程的时间尺度。真的/错误的)

4. 在体积成形模拟中，当工具速度过高时，会发生喷射现象，这是一种流体动力学类型的响应。真的/错误的)

5. 质量按比例缩放 f 计算成本降低了√倍f. (真的/错误的)

6. 将负载率提高一倍 f 计算成本降低了 1 倍 f. (真的/错误的)

7. 默认情况下，Abaqus/Explicit 会在整个计算步骤中逐步施加载荷。真的/错误的)

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练习时间！

尝试模拟侵入试验，这是 Abaqus 准静态问题之一。您可以根据提供的几何形状、材料等信息进行建模。首先，进行…… 频率 分析以确定梁的基频（第一模态）（给定边界条件）。然后，运行三次 动态的、显式的 分析（如文章海报所示）并比较结果。.

您可以点击此处获取本文的PDF版本。 加快 Abaqus 中的准静态分析速度

此外，还可以了解以下内容： 不稳定问题的自动稳定化 Abaqus 

用户提出这些问题

在社交媒体上，用户经常会问到关于静态、准静态、加载速度等问题。因此，我们决定回答其中的一些问题，您可以在下面看到答案。.

一、显式求解器能否用于静态问题？

一个： 对于冲击、爆炸分析、跌落试验、模拟短时动态事件、高能等许多情况，显式求解器是最佳选择。此外，在满足一些条件的情况下，它也可以用于静态分析。通常，在静态问题中，当存在以下情况时，会使用显式求解器： 趋同问题. 更多信息，请参阅这篇文章： “加快 Abaqus 中的准静态分析速度 | 提高 Abaqus 加载速率”

二、准静态分析

问： 大家好！我正在使用 Abaqus 模拟圆柱车削。无论我如何设置质量缩放因子（16、100、256 等），最终的动能始终大于内能的 5%。最后，我移除了质量缩放因子，结果发现动能仍然大于内能的 5%。请问如何配置模型才能满足 5% 的要求？谢谢！

一个： 你好，,

分析开始时动能可能较大，这没关系。如果此时动能较大，我建议增加分析时间。.

加快 Abaqus 中的准静态分析速度 | 提高 Abaqus 加载速率

祝你好运，朋友。.

五、加快Abaqus分析速度

问： 如何加快 Abaqus 分析速度？

一个： 或许您也遇到过这种情况：模型准备就绪并启动仿真后，打开监控窗口却发现它长时间保持空白，远超您的预期。您意识到仿真耗时过长，开始思考是否有办法在不显著影响结果精度的前提下加快仿真速度。.

有几种方法可以加快 Abaqus 分析速度，包括：

1. 减小模型尺寸： 提高 Abaqus 分析速度最有效的方法之一是减小模型规模。这可以通过移除不必要的细节或简化模型几何形状来实现，同时又不影响结果的准确性。.
2. 合理使用元素类型： 为模型的每个部分选择合适的单元类型会显著影响分析时间。使用自由度较少的简单单元可以减少解决问题所需的计算量。.
3. 优化网格： 这 Abaqus网格 网格的大小和质量都会影响分析的精度和计算时间。网格过细会增加分析时间和内存需求，而网格过粗则会影响结果的精度。因此，优化网格的大小和质量有助于加快分析速度。.
4. 使用自适应网格划分： 自适应网格划分是指在需要更高精度的区域自动细化网格，而在精度要求较低的区域保持较粗的网格。这可以减小网格的整体尺寸，提高结果的精度，同时最大限度地降低计算成本。.
5. 利用对称性： 利用模型的对称性可以减小问题规模，从而显著减少计算时间。例如，如果模型关于某个平面对称，则只需分析模型的一半。.
6. 使用并行处理： Abaqus 支持并行处理，即将分析任务分解成更小的部分，并同时求解。使用并行处理可以显著缩短分析时间，尤其对于大型模型而言。.
7. 使用高效的硬件： 使用具有足够内存和处理能力的高性能计算机或集群可以显著缩短分析时间。.
8. 使用质量缩放： 质量缩放是 Abaqus 中用于在分析过程中调整模型质量的一种技术。在某些情况下，质量缩放可以加快 Abaqus 分析速度，但这取决于具体问题和模型的特性。.

总的来说，有很多方法可以加快 Abaqus 分析速度，最佳方法取决于具体问题和可用资源。通过结合使用这些技巧和方法，您可以优化分析设置、减少计算时间并提高结果的准确性。.