1、Workbench Mechanical 结构非线性,第七章 诊断,章节综述,因为某些非线性结构分析求解会十分困难，因此理解怎样诊断不收敛问题对获得答案十分关键。本章将介绍以下内容: 求解器输出 监视求解 Newton-Raphson 残差本章介绍的功能需要ANSYS Structural licenses 及其以上的授权。,A. 求解信息,在第二章中，已经介绍过求解信息分支 回顾通过 Solution Information 分支可以观察到详细 ANSYS 求解器输出和收敛曲线, 例如，绘制力敛曲线.,Text Output,Graphical Output,信息窗口 “Messages”
2、位于Solution Information Worksheet正下方，提供了一些警告错误的列表. 右键任何信息: Go to Object (高亮和这些信息相关的项目树对象） Show Full Message从分离的弹出窗口显示了所有的信息 Copy 拷贝信息 (到分开的文档文件) Delete 从列表中删除信息,. 求解信息,Solver Output 可提供关于求解的详细的文字输出. 熟悉怎样阅读这个文件将会非常有用. 1) Solver Output开始简单显示使用的ANSYS license (这里是 ANSYS Multiphysics) 和版本号.,. 求解信息,2) Solv
3、er Output 记录了根据指定的单元(中节点)选择激活的单元技术和相关的材料，参照附录B中更多关于单元技术的细节.,. 求解信息,3) 向下翻页直到一系列星号出现，这时就会看到求解器读取有限单元数据的信息。这个列表非常有用，它不仅提供了模型中零件数量的信息，同样也列出了接触区域的ID号。需要指出的是虽然在Simulation中接触区域可以使用任何名字，ANSYS 求解器只根据接触区域的唯一编号来进行处理(ID编号).找到接触区域的ID编号对于程序调试非常有用。 例如，在上面的片段中，接触区域 “Teeth 3” 的接触编号为9 和 10.,. 求解信息,4) 当方程求解开始以后，输出窗口如
4、右图所示这里有用的信息包括求解器的选用(是“Program Chosen” 或手动设定)、 大变形效应是否打开、是否考虑材料非 线性(如果出现塑性)和所使用的子步数.这一部分的求解器输出并不是很关键， 但它给出了矩阵什么时候被求解及在 Simulation中进行了哪些求解设置.,. 求解信息,5) 随后将会列出接触单元的细节.这里，将列出有关接触单元的各种选项包括接触Normal Stiffness 和Pinball 半径任何注意或警告信息都会对观察有用.例如，在这里会给出初始渗透或缝隙大小(以当前的长度单位)。,从Solver Section 2 回顾列出的接触区域名称和ID号. 从那个例子
5、可知，以上的接触实常数号9 是 “Teeth 3” 区域部分.,. 求解信息,6) 随着非线性求解的进行，平衡迭代的信息将会显示在窗口的底部(下图) 注意，在每一次平衡迭代中，残余力(FORCE CONVERGENCE VALUE) 必须小于准则 一个理想的平衡系统，残差或不平衡力应该为零。但由于机器的精度和实际的考虑，Simulation将确定一个小到几乎可以忽略所造成的误差的残差值。这个值就是准则, 而力收敛准则值必须小于准则 以使这个子步收敛。 在下面分析中，经过3次平衡迭代，残余力小于准则, 因此，求解收敛. 通知信息 (例如收敛或对分) 子输出窗口中将以“” 和 “标识.,. 求解信
6、息,警告和错误信息同样会显示在输出窗口中 当接触状态突变时，就会出现一个警告信息指出接触单元剧烈地进出pinball区域. 这可能是由於载荷太大造成零件间剧烈地相互滑动或分离。如果需要Simulation会自动二分求解。 单元畸变通常是由于载荷过大或过度约束所造成的严重问题。对分载荷会自动进行，但有时会需要一些修正措施来解决这个问题。,. 求解信息,最后, 当求解完成以后，在求解输出窗口的最后会提供一些本次分析的统计数据。求解时间与计算其它单元的时间的百分比以及整个方程的求解时间.在最后会显示整个Elapsed time. 对于单个处理器，如果 wall time 远远大于 CPU 时间 (例
7、如 2x), 那就表示慢的磁盘I/O大大影响了整个计算时间. 对于双处理器， CPU 时间将不会精确，因为它是两个处理器所用时间之和.,. 求解信息,熟悉求解器输出的内容及结构对理解有限元求解十分有用 用户可以通过在求解过程中观察求解器输出来了解当前平衡迭代的详细信息。 在求解后观察求解器输出可以确定不收敛的原因 (如果求解失败), 获得求解器性能信息, 和找到接触单元的设置信息 详细的警告或错误信息(由*标识) 也将会显示在求解器输出中。同样在求解过程中观察子步状态(由标识) 可以找到对分的原因.,. 求解信息,B. 监视求解,当求解非线性模型时，因为有可能需要多次迭代，观察非线性求解趋势将
8、会非常有用 如果求解看来会发生意外情况，用户可以终止分析来研究问题而不是等到求解结束，这就大大地节约了时间. 监视求解同样可以使用户更深入地了解系统的响应 在WB-Mechanical中有两种方法可以供用户监视求解: Solution Information 分支提供方程求解器行为 Results Tracker 提供求解过程中系统的响应,评估求解收敛行为的最好方法是观察力收敛曲线: 在前一节中我们提到，Force Convergence 曲线可以在Solution Information 分支中得到, 力收敛,回顾在 Newton-Raphson 方法里，就是找寻力平衡。如果不平衡力 (残差
9、) 力收敛准则，那么这个子步就认为是收敛的。求解过程中，可以观察力收敛曲线跟踪过程。上面的力收敛曲线说明二分出现了。这意味着施加了更小的载荷步长。 底部的 “TIME”曲线代表了总载荷的分数。虽然在静态分析中时间并无明确意义，它用于作为TIME=1.0最终求解的计数器。如果时间目前是0.2，那意味着20%的载荷正在施加。, 力收敛,通常需要注意的是求解过程中什么时候力收敛曲线开始“平稳” 这通常意味着 (a) 需要减小载荷增量或 (b) 接触法向刚度太高. 对于情况(a) Simulation 将自动对分求解 对于情况(b), 二分或手动降低接触法向刚度, 结果追踪器,除了监视不平衡力，在 “
10、Solution Information” 分支中还可以添加结果追踪器(Result Tracker) Results Tracker 使用户能够在求解过程中监视某点点变形或接触区域信息. 对 “Results Tracker Deformation,” 选择感兴趣的一点，指定需要监视的 x, y, 或 z 方向的变形. 对 “Results Tracker Contact,” 在下拉菜单中选择接触区域就可以观察跟踪的数量(例如，接触单元的数量）, 结果追踪器,当定义了Results Tracker 项和开始求解后, 用户就可以在 求解 过程 中 “跟踪” 变形或接触结果。,本例中，特定接触区
11、域接触单元的数目被监控。右图明显显示 在Time=1.4 1.7, 接触单元数目从0跳到了29。 既然 “Time”在非线性分析中是“位置定格”，这意味着在第一个载荷步（Time=1.0）之后,在载荷的40%和70%之间，接触确立了。, 结果追踪器,在求解过程中可以同时选择和观察多个结果(同一类的),本例中,显示了8个接触区的穿透量。可以观察最大穿透量是否太大，如果是这样，求解会过早停止；既然用户知道了哪个接触区域有太多的穿透，那么可以增加该区域的法向刚度。从这出发，如果用户期望接触区分开到接触，在这点检测过程没得到反映，用户也想知道求解完成后什么结果能观测。本例中，接触区“Teeth 1-4
12、”在第二个载荷步进入接触， “Teeth 7”似乎一直到第4个接触步才接触 上，这些都给用户展示了 哪些接触区正在接触，什么时候接触。,C. Newton-Raphson 残差,到目前为止，已经讨论过了获得详细的求解器信息(节 A) 和监视求解 (节 B) 当出现不收敛问题时，Newton-Raphson 残差对找到可能有问题的区域非常有用 如果求解不收敛是由于力平衡原因，这将会反映在求解器输出和力收敛曲线上. 力收敛(残差) 将会大于力判据. 在不收敛情况下，Newton-Raphson残差(如需要) 将会指出力残差高的区域。这通常有利于帮助确定阻止力平衡的部位, 通常是由于这些部位的力和支
13、撑或接触区域的设置., Newton-Raphson 残差,在“Solution Information” 详细窗口中，输入平衡迭代的数目来获取Newton-Raphson 残差. 例如，输入 “4” , 当求解中断或不收敛时，最后四次迭代的残余力将会给出., Newton-Raphson 残差,当求解停止或不能收敛，就可以从“Solution Information” 分支中获得残差，如下图所示.,如果求解收敛失败或用户中止, 可得到残差的数量.看残差，可以检查出现不平衡力的位置. 有助于用户识别可能的有问题位置, 以致采取矫正措施., Newton-Raphson 残差,在下例中，力残差十
14、分高(不平衡), Newton-Raphson Residuals 使用户可以看到哪些区域对造成高的不平衡力有贡献 在这个例子中, 高残余力的 一圈 是接触区域的一部分, 因此用户就知道从哪里开始检查。,D. 例子,在本节中，针对不同的情况将会作简要的介绍。观察求解器输出，监视求解，及进行非线性诊断都会根据不同的例子进行讨论 包含所有的不收敛的原因是不现实的，因此，在此只对用户会遇到的一些常见的问题进行讨论., 刚体运动,常见的错误信息“internal solution magnitude limit was exceeded.” 本质上说, 这意味着出现了刚体运动. 不足的约束，即使是有支
15、撑或接触也有可能会使零件飞向 空间 Solver Output 也会提供刚体运动方向, 刚体运动,为了检测哪个零件发生了刚体位移，用户可以进行一次模态分析来找到接近于零频率的模态。这有可能会十分耗时。 另一种方法就是查看哪个接触对是初始打开的。回顾在求解器输出的第一部分可以找到和接触ID对应的接触区域名。,本例中, “contact offset block-2 To contact offset bolt-1” 接触区域 (set #10 和11)有一个初始间隙。可以检查模型看间隙是否存在，以及因为由于缺乏初始接触的建立是否正在引起刚体位移。, 接触刚度,有时，接触Normal Stiffn
16、ess 会太高而造成求解不收敛。 对于这个螺纹扣件，在第一子步中只求解了20% 的载荷，求解就发散了, 接触刚度,通过观察Newton-Raphson 残差, 可以发现在接触区域内可能不会达到力平衡. 网格看起来很粗糙 通过降低接触法向刚度和细化接触区域网格，就可以解决这个问题,不收敛的Newton-Raphson残差,调整后求解收敛, 模型设置,错误信息 “solver engine was unable to converge on a solution for the nonlinear problem as constrained” 可能会有多种因素造成，虽然当这个信息出现时，重复检查
17、模型设置通常是个好的办法.,这个模型中, 出现了Bolt Loads, 所以有两个载荷步.第一载荷步 (预加载) 收敛. 然而第二载荷步甚至没有一个子步收敛., 模型设置,通过检查Results Tracker 和Solver Output, 用户可以确定不收敛的原因: 在第一载荷步中，只有一个接触区域保持零件接触, 如左边的Results Tracker 所示. 从右边的Solver Output 中可以发现相互接触的零件分开了，这就意味着很可能载荷的施加而造成零件脱离接触.,检查项: 是否其他接触区假设进入了初始接触？加载幅度不正确？忽略了其他约束吗？,E. 求解模型的技巧,同上一节中提到
18、的一样，综合利用下列步骤可帮助确定可能的不收敛原因: 观察Force Convergence 曲线了解求解行为 通过Solver Output 检查接触信息(接触区域是否初始接触？初始缝隙/穿透是多少？) 和求解过程中断警告或错误信息. 利用Results Tracker 监视接触信息或某点处的变形。模型响应是否和预期的一致? 如果发生了不收敛，通过检查Newton-Raphson 余量来确定高余量区域，这些区域就可能是有问题的区域。在这些有问题的区域是否施加了载荷或约束, 或这些区域是否是零件的接触区域？再次检查模型设置.,求解模型的技巧,如果以上步骤仍然不能提供足够的信息来确定问题所在，就
19、可以使用以下的方法: 如果存在塑性和过度的单元畸变，可以试着先去掉塑性来运行模型以确定是否是由于材料模型而造成的这个问题. 如果问题可以确定为材料塑性所造成的，检查塑性定义。是否是完全塑性？ 如果是，是否塑性铰链(mechanism) 形式？ 是否有可能是由于单元的刚度太小从而使单元变形过大? 对于接触问题, 复制分支利用绑定接触来求解模型以确定是否是由于接触定义的原因而造成这个问题. 如果是接触造成的问题而且力余量很高，改变所有接触为Pure Penalty 同时输入较小的 Normal Stiffness (0.01 到 0.1). 试着再次求解模型，有可能会出现过度穿透, 但如果得到结果
20、，用户就可以对零件间接触的相互作用有一定的了解.,求解模型的技巧,如果对于接触使用了Normal Lagrange Formulation, 就检查振荡状态. 如果遇到不收敛，振荡信息会在求解过程中和结束后打印出来 用户还可以在 Results Tracker 中查询Contact Chattering. 如果振荡太多，就可以选用Augmented Lagrange 方法或使用Preprocessing Commands 分支来控制(FTOLN) Normal Lagrange 接触的振荡., 总结,WB-Mechanical 提供了许多工具来帮助用户追踪非线性分析和诊断问题. 通常，可以从简
21、单问题开始然后再逐渐增加问题的复杂性，这样确定问题的原因更加有效。在初次分析就加入许多复杂性会在随后的分析中浪费许多时间. 不要随机改变设置。首先使用推荐的设置，然后如果有明确的原因才能改变接触或求解器设置就象在Solver Output, Results Tracker, 或 Newton-Raphson Residuals所阐释的一样. 虽然接触区域是自动建立的，总是所有的接触/目标表面和接触设置来确保接触区域如所希望的一样定义. 在 Solver Output 中观察详细的接触输出，检查接触区域的初始接触状态，极可能存在初始穿透或缝隙，如果有，那么可找出它们的大小.,请参考作业中的补充说明: 作业7A 接触诊断工具,F. 作业 非线性诊断,请参考作业中的补充说明: 作业7B 奇异性,. 作业 非线性诊断,
