Proe/Creo有限元分析分析定义基础(持续更新)

分析定义基础

模块概述:

在此模块中,您将学习定义分析的基础。

目标:

成功完成此模块后,您将能够:

了解收敛方法。

了解线性静态分析的基础。

定义线性静态分析。

选择一个收敛方法。

概念: 收敛方法

收敛方法

多通道收敛方法 (MPA) 和单通道收敛方法 (SPA) 是在 Simulate 中使用的两种方法。

多通道自适应收敛方法

多通道自适应收敛方法 (MPA) 是在 Simulate 中证明收敛的经典方法。它提供了最高精度和用户控制,但是它耗费的资源和时间也最多。对于模型中的所有测量,它们的值都可以控制而且可以相对 p 环通道以图形显示。最大位移与 p 环通道的对比如图 1 所示。

图 1 – MPA 的最大位移相对于 p 环通道

在 MPA 中,Simulate 使用局部和全局误差范数。在用户选择的所有误差范数都已满足后,Simulate 终止 p 环。在静态分析时,这些可能是:

局部位移、局部应变能和全局 RMS 应力。

局部位移和局部 (元素) 应变能。

要由用户定义的测量。

如果从通道 n 到通道 n+1 所选数量的变化低于用户定义的百分比,则满足收敛条件。在 MPA 中,Simulate 自动报告全部测量收敛,无论测量是否选作收敛条件。

如果测量选择用于收敛证明,则应至少选择所有位移测量和应变能。始终不要只使用特殊关注的某一个测量,因为它在两个通道中可能不会显著变化,而 p 环将停止。如果还需要精确的应力结果则包括应力测量,例如最大和最小主应力以及 von Mises 应力。对于非常精确的应力结果,还可以包括应力分量测量。

如果没有获得收敛,用户可以在后处理器中评估 p 级图并标识高 p 级区域。如果这些位置不接近应力奇点,则局部网络细化可以帮助在新的引擎运行中达到收敛。

单通道自适应收敛方法

单通道自适应 (SPA) 收敛算法是 Simulate 中比较新的收敛方法。这是在结果精度、计算时间和资源之间折中的一个好方法。建议用于含有相似属性材料的零件和装配分析。如果装配具有很高的局部刚度差别,例如由于使用具有极大 E 模数差异的两种材料,部分是柔软的正交各向异性材料,或者是连接在钢上的弹性体,则需要小心。在这种情况下,可能出现 p 级在该处只升高的情况,因此检查 p 级图。

SPA 使用单个 p 通道的结果,模型中的所有边初始都设置为 3。应力使用全局技术平滑。平滑应力也称为超收敛,与原始应力或每个元素的各个点计算得到的应力直接进行比较以计算误差。如果此 RMS 应力误差超出公差 (内部默认值为 8%),误差的大小用于计算在元素中需要多少附加函数的预估值。利用元素中需要的函数数量,Simulate 确定每条边多项式阶的增加。因此对于高误差元素,其边的 p 阶会从 3 跳至高达 9 阶。

可以在“分析定义”对话框中更改最大 RMS 应力误差目标的内部默认值。在“收敛”(Convergence) 选项卡中,单击“高级控制…”(Advanced Control…)。使用以下默认值:

静态分析 – 8%

模态分析 – 16%

失稳分析 – 12%

如果最大应力误差目标值过小,p 级在模型中的很多位置都会非常高并耗费大量资源。因此,还可以只在关注的模型区域中定义减小的局部应力误差。这样,局部应力误差目标只影响在选定几何上至少有一个节点的所有元素。局部应力误差目标的默认值为 10%,与选择的分析类型无关。对于特定位置,Simulate 始终使用更严格的收敛条件。

同 MPA 一样,在 SPA 中 Simulate 自动报告所有测量值,但是不报告测量收敛。在默认情况下,可用的误差信息只有 RMS 应力误差估算。如果使用附加的局部应力误差目标,则局部应力误差估算值也将被输出到引擎 rpt 文件中,它们是整个模型的最大值和选定元素的最大值,以 % 表示;此处局部应力误差估算是该元素的原始 RMS 应力误差估算,按照该元素的应力进行归一化。每个元素都有局部应力误差估算。整个模型的最大值列中的数字是模型中 RMS 应力误差估算最高的元素值。选定元素的最大值列中的数字是与高级 SPA 收敛控制对话框中选择的参考相接触的元素中 RMS 应力误差估算最高的元素值。

如果单独运行 SPA 或 MPA 分析,可以在后处理器中通过单击“分析”对话框的“输出”选项卡上的“局部应力误差”(Local Stress Errors) 来评估三种不同类型的应力误差估算。它们是:

原始

按最大模型应力归一化

按最大元素应力归一化

模型检查

快速检查模型行为有两种不同方法:

迅速检查 (QC) – 这不是收敛方法。Simulate 将所有 p 级设置为 3 并运行一个通道。输出信息以与 SPA 相同的方式传送。

在 MPA 中将 p 级限制为 1 – 可将最大 p 级限制为 1 并只运行此通道。尽管在此情况下的结果质量很差以至于不应该解释任何数字,但是这是检查模型及其粗略位移/变形行为和约束/载荷检查的非常快速的方法。

要获得稍小一些的粗略位移行为或对可能的建模问题进行更好的检查,也可以将最小和最大 p 级设置为 2,这样分析时间仍然很短。

概念: 误差范数

误差范数

要更好地了解模拟收敛方法的工作原理,必须了解用于计算收敛的数量。收敛的详细信息将在引擎报告文件中进行报告。通过认真地解释这些值,您可以判断结果的数值质量。

全局 RMS 应力指数 – 全局 RMS 应力指数是总 (全局) 应变能的误差平方根的估计,它是当前通道的应变能和精确应变能的差值,然后除以精确应变能。要估计精确的应变能,该引擎将外推三个连续通道的总应变能。这三个连续通道称为通道一、通道二和通道三,其中通道三为最近的通道。假定该能量为高阶多项式的渐近值 (其称为精确能量)。Simulate 通过这三点与指数函数拟合并外推以估算渐近值。如果通道三和通道二的差值与通道二和通道一的差值相比并不小于它,指数可能检测到明显的误差。对于多个载荷集,该值为所有载荷集的最大值。如果大于 100% 的值在内部计算,则输出总是限制为最大值 100%。全局 RMS 应力为能量范数,而不是应力范数。已经表明模型总应变能等于全局 RMS 应力。

局部位移/能量指数 – 这些是收敛的局部测量。引擎检查每个元素的总应变能的百分比更改,和沿每个元素边的位移或温度中的百分比更改。

如果沿边的位移从最后一个 p 通道更改太多,则边的 p 阶必须增加。

如果元素中的应变能从最后一个 p 通道更改太多,元素所有边的 p 阶必须增加。

在检查所有元素和边后,该引擎将局部收敛指数设为遇到的最大值,因此该指数可参考边位移或元素能量,这取决于哪个误差更大。对于多个载荷集,该值为所有载荷集的最大值。

RMS 应力误差估计 – 这是局部应力误差估算,不应与全局 RMS 应力指数混淆,是指全局应变能。在 SPA 和 SPA 中,它是沿一条边的 RMS 应力误差的模型中的所有边的最大值。通过比较平滑的 (超收敛) 应力和非平滑的应力在沿一条边的样本点上估算应力误差。该应力误差排除了潜在奇点的区域 (约束和凹角)。计算 RMS 应力误差估算方式如下:

原始 – 以应力单位表示的每个元素的 RMS 应力误差指示器。

由最大模型应力归一化 – 模型 (以 % 的形式) 中的原始/最大应力。

由最大元素应力归一化 – 元素 (以 % 的形式) 中的原始/最大应力。

σ 是从位移多项式的导数中计算出的应力。

σm是平滑的超收敛应力。

均方应力误差是 (σ – σm)2的边的积分。

RMS 应力误差是均方应力误差的平方根。单个 RMS 应力误差估算可以在后处理器中评估;最大值总是打印成 rpt 文件。如果单击“分析”(Analysis) 对话框的“输出”(Output) 选项卡上的“局部应力误差”(Local Stress Errors),您会得到:

超收敛应力 – 要表示平滑的应力,Simulate 使用与用于位移功能相同的多项式功能。应力多项式的系数通过与每个元素内的各种样本点上计算的应力拟合的最小平方找到。以这种方式,元素边界上的原始或直接计算的应力的典型应力跳跃值或不连续应力将消失。以这种方式计算的平滑应力通常比非平滑应力收敛快。

图 1 – 超收敛应力

概念: 线性静态分析的基础

线性静态分析的基础

静态分析用于从不随时间变化的载荷中分析变形、应力或应变。标准的线性静态分析将载荷应用于未变形的结构并分析所产生的位移和应力。与整个结构尺寸相比,位移必须始终非常小,才能使分析类型保持有效状态。

载荷集组载荷 (例如力、力矩和压力) 同时作用于结构上。在约束集中,约束被分组。约束定义了结构相对于环境固定的位置或应用的强制位移位置。通常,必须选择至少一个载荷和一个约束集以执行线性静态分析,但存在以下例外情况:

如果定义了具有至少一个强制位移的约束集,则可以不需要载荷集。

如果选择“惯性释放”,则无法使用约束集。“惯性释放”使外部施加载荷与由此施加载荷产生的结构的准静态平移和/或旋转加速相等。

仅在线性静态分析中,可以使用载荷集的线性叠加原理。此处假定一个加载状态与另一个加载状态没有相互作用。因此,如果两个载荷集同时作用,产生的位移和应力只是两个集的总和。用户必须确定该原理是否对应用程序问题有效。如果没有效,预应力或大变形静态分析可能为备用选项。

在运行线性静态分析前,需要考虑以下各项:

载荷集 – 如果有多个载荷集,以下选项可用:

如果选择多个载荷集但未选中复选框“累计载荷集”(Sum Load Sets),引擎将分别求解每个载荷集并将每种情况的结果存储在硬盘上。稍后,使用线性叠加原理在后处理器中分别评估或任意地组合并缩放每种载荷情况。

如果选中复选框“累计载荷集”(Sum Load Sets),则所有选定的载荷集由引擎组合并求解为一个同步集。然后,该后处理器只可访问此载荷组合的结果。

约束集 – 约束集可由引擎组合并求解为一个结果集。与载荷集不同,每次分析只可求解一个约束集;后处理器中不可能存在线性叠加。在装配中,可访问子装配和零件的约束集和载荷集以进行分析定义。

绘制栅格 – Simulate 将每个元素细分为更精细的绘制栅格以进行后处理。在绘制栅格的相交处,节点位于评估位移、应力和应变结果的位置。通过在元素中插值来计算绘制栅格节点的位移。对于 p 元素,位移是多项式函数,通过该函数 Simulate 在问题解决后得到系数,多项式用于插值。绘制栅格没有定义分析精度,只定义结果显示精度。通常,在元素尺寸 (或模型中元素的数量)、元素类型 (壳、尤其是梁结果显示从更高的绘制栅格中获益)、需要的分析精度、需要的结果显示质量和要求的绘制栅格之间应该有一个平衡。绘制栅格可在“静态分析定义”(Static Analysis Definition) 对话框中的 2 和 10 之间调整。

图 1 -“静态分析定义”对话框

高绘制栅格会明显增加计算时间和硬盘资源使用量。为此提供以下建议:

“绘制栅格”设置为等于 4 (默认值):用于静态分析中具有体积块元素的模型 (关注应力和标准精度要求)。

“绘制栅格”设置为等于 6:用于应力静态分析中的壳/梁。

“绘制栅格”设置为等于 2:用于具有体积块的模态分析 (如果只有全局模态振型,而不考虑模态应力)。此设置可节省资源。

惯性释放 – 此选项可用于分析不受约束的模型。可将该选项仅用于线性静态分析。使用该选项,Simulate 将分析您的模型,好像其正在空间中自由浮动而不受任何约束,只是应用了载荷一样。

所需结果输出数量 – 即使没有要求结果输出数量,Simulate 也总是分析位移并将其写入硬盘中。或者,您也可以选择:

应力 – 除位移外分析应力和应变。

旋转 – 也输出旋转。此选项对体积块元素没有影响,因为它们不支持旋转,但会影响理想化的有限元,例如壳、梁和弹簧。

反作用 – 如果选中复选框,Simulate 打印出 rpt 文件中的所有施加载荷的合力总和。这是一个重要的选项,可检查哪些载荷确实已施加,因而应该被用于确保分析的质量。不报告力矩平衡,只报告力平衡。

局部应力误差 – 在结果目录中输出不同的 RMS 应力误差,如模块误差范数中所述。

收敛方法 – 当 Simulate 运行您的模型时,可选择以下收敛方法之一以供 Simulate 使用:

单通道自适应

多通道自适应

快速检查 (无收敛)

排除的元素 – 在分析期间,可将您的模型中的元素从收敛和测量计算中排除。

概念: 定义线性静态分析

定义线性静态分析

静态分析用于从不随时间变化的载荷中分析变形、应力或应变。标准线性静态分析把外部载荷施加在未变形的结构上并分析所产生的位移。因此,相比整个结构尺寸位移必须始终非常小,这样才能使分析类型保持有效状态。

定义线性静态分析需要执行以下步骤:

选择分析类型并分配名称 – 访问“分析和设计研究”(Analyses and Design Studies) 对话框并选择图 1 所示的分析类型。

图 1 -“分析和设计研究”对话框

在图 2 中的“静态分析定义”(Static Analysis Definition) 对话框中,为分析分配一个有意义的名称。为提供更有用的参考信息,请输入说明。此说明将打印到 Simulate 引擎的 rpt 文件中。

选择约束和载荷集 – 在图 2 的“静态分析定义”(Static Analysis Definition) 对话框中,从列表中选择约束集和载荷集,并在必要时合并约束集或累计载荷集。

选择收敛方法 – 使用 MPA 时,在 % 中输入收敛值,定义最小和最大的多项式次数,并在图 2 中的“静态分析定义”(Static Analysis Definition) 对话框中选择收敛标准。

图 2 -“静态分析定义”对话框

定义输出 – 始终计算并储存位移。可根据需要分析应力、旋转 (不包括体积块元素) 和反作用 (在模型的合成加载和约束上的力/力矩)。也可选择“局部应力误差”(Local Stress Errors) 以便在后处理器中获得每个元素的 RMS 应力误差信息。定义合理的绘制网格。这可在“静态分析定义”(Static Analysis Definition) 对话框中的“输出”(Output) 选项卡中定义。

必要时可在图 3 所示的“运行设置”对话框中检查并调整运行设置。

图 3 -“运行设置”对话框

对于输出和临时目录,应始终使用本地硬盘驱动器。绝不要使用网络驱动器,因为要转移的数据量会变得很大。

可以覆盖默认的元素设置。

输入合适的内存分配;在大部分情况下 512 MB 即可。

运行分析。

为了充分利用计算机资源和时间,可在 Simulate 中定义多个分析,它们可以来自不同的模型,然后在批运行中进行处理。在这种情况下,Simulate 在工作目录中默认写入名为 mecbatch.bat 的批处理文件。然后,此批处理文件在系统级上 (例如,DOS-shell 或 C-shell) 启动。其还有其他优势:Simulate 图形用户界面未运行,从而为求解器释放了内存。此外,分析是连续运行的,每次使用一个引擎许可证,从而充分利用了 RAM。即使分析失败,下一次分析也会自动启动。

除了直接使用 Simulate 界面运行分析或稍后运行以外,Simulate 中一个新的增强功能还允许用 Creo Pro 分布式批处理应用程序来运行模拟分析。此应用程序允许您执行多种批处理操作,不仅在本地计算机也可在一些网络计算机上进行。因为无需任何用户交互便可执行 Simulate 分析并且其计算精细,因此对于此类应用程序来说,它们是不错的备选项。

用 Creo Pro 分布批处理应用程序执行 Simulate 任务的优势包括:安排任务在非高峰时段运行,使用空闲计算机处理,以及任务可以在后台处理。此功能需要安装 Creo 分布批处理且需要获得许可证才可使用。同时,还需要安装 Creo 分布式服务管理器以在网络节点间分配任务。

概念: 推荐的内存分配

推荐的内存分配

对性能影响最大的是机器中的 RAM 量以及 Simulate 使用 RAM 的方式。在分析中使用的内存量取决于多种因素,包括模型的复杂性、所需的求解精度以及正在运行的分析或设计研究的类型。您可以通过观察“运行状况”(Run Status) 对话框的“汇总”(Summary) 选项卡底部的“最大内存使用量 (千字节)”(Maximum Memory Usage (kilobytes)) 查看分析所用的总内存。

如果 Simulate 使用的最大内存加上操作系统和其他应用程序使用的内存超过机器中的 RAM 量,则操作系统会在 RAM 和硬盘间交换数据,从而严重降低应用程序的性能。为了达到最大性能,要确保最大内存使用量小于机器中的 RAM 量。

对于很大的模型,全局刚度矩阵在分析过程中需要占用大部分内存。您可以通过观察“运行状况”(Run Status) 对话框的“检查点”(Checkpoints) 选项卡 (也在研究目录的 .pas 文件中) 并查看全局矩阵配置文件的大小,来了解全局刚度矩阵的大小。

Simulate 使您可以通过设置“运行设置”(Run Settings) 对话框的“求解器设置”(Solver Settings) 区域中的“内存分配”(Memory Allocation) 字段来限制全局刚度矩阵耗费的内存量。此内存分配设置称为 solram。通过此设置,可以分配固定量的内存在其中保存线性方程求解器随时使用的全局刚性矩阵片。如果全局刚度矩阵太大而不能适合于 solram,则 Simulate 会使用比操作系统使用的一般交换算法更有效的专用交换算法,在磁盘和 RAM 之间往复交换矩阵部分。您需要足够的交换空间来适应整个工作,并需要为结果和临时文件提供足够的磁盘空间。日志文件 .stt 监视使用情况。

以下是可以用于提高性能的一些建议和准则:

如果可能的话,退出其他应用程序,以使 Simulate 能够使用尽可能多的内存。

也可以退出 Simulate。该分析在后台继续运行。可通过查看 .rpt 文件来监视该进度。

请合理设置引擎的内存分配 (solram)。

将 solram 设置得足够低,以使 Simulate 使用的总内存小于 RAM 总量。为 Solram 设置的理想数量介于 RAM 的 25% 到 50% 之间。如果系统没有运行其他任务,则将 solram 设置为可用 RAM 的 50%。

如果可能,将 solram 设置得足够高,以使全局刚性矩阵适合于 solram。

如果使用 32 位 Windows 操作系统,则任何一个应用程序可以使用的最大内存量是 3.2 GB。

Solram 当前限制为最大 16 GB。

影响性能的另一个主要因素是磁盘使用率。在分析过程中,Simulate 将所有结果写入磁盘。Simulate 还暂时将分析中所需的中间数据存储在磁盘上。以下准则有助于提高性能:

确保未使用安装在网络上的任何驱动器。

使用含有大量空白空间的驱动器。

偶尔重组磁盘以便可以在大的连续块中写入和读取数据。

使用快速硬盘驱动器。

使用具有独立磁盘冗余阵列 (RAID) 的磁盘分割以提高 IO 性能。

使用 RAM 磁盘代替硬盘。

使用固态驱动器代替硬盘驱动器。

可以通过使用批处理命令为临时文件使用多个磁盘。

默认情况下,Simulate 将多线程使用所有可用的处理器。如果有其他程序正在运行,则可对其进行限制。

概念: 比较收敛方法

比较收敛方法

每次定义分析时都必须选择收敛方法。Simulate 是一个非常强大的工具,可以让您获得所需结果精度和必需的耗时以及硬件资源之间理想的平衡。

在选择收敛方法时,应该先回答 5 个问题:

分析的目的是什么?

关于位移我需要怎样的精度?

关于应力我需要怎样的精度?

是否需要收敛证明?

Simulate 要用多长时间?

所示图表示使用 4 种不同类型收敛方法所获得的结果和产生的位移以及应力。

图 1:多通道自适应 – 最大位移是 0.175 mm,最大应力为 6.33 N/mm2。

图 1 – 多通道收敛方法

图 2:单通道自适应 – 最大位移是 0.174 mm,最大应力为 6.02 N/mm2。

图 2 – 单通道收敛方法

图 3:快速检查 – 最大位移是 0.173 mm,最大应力为 5.32 N/mm2。

图 3 – 快速检查

图 4:P1 – 最大位移是 0.014 mm,最大应力为 1.82 N/mm2。这表示最大 p 级限制为一的多通道运行。

图 4 – P1

概念: 选择收敛方法

选择收敛方法

选择收敛方法时可以遵循一些准则。图 1 所示的表给出了关于应选择哪种收敛方法来测试和运行模型的详细信息。仅将其作为准则。如果怀疑在特殊情况下求解的精度达不到要求,可使用 MPA 收敛证明结果质量。

要选择和测试收敛方法:

使用图 1 所示的决定矩阵选择一种收敛方法。

图 1 – 收敛方法决定矩阵

查看生成的分析。在分析运行完成后,查看并解释引擎报告文件 (*.rpt)。您可以使用下列方法之一访问引擎报告文件:

Creo Parametric 和 Simulate 中的“分析”(Analysis) 对话框。

操作系统的文本编辑器。

如果分析不收敛或者观察到高 RMS 应力错误,则打开结果窗口并查找模型中的 p 级分布。如果观察到具有非常高 p 级的非奇异区域,可以细化该处的网格并重新运行分析,因为存在收敛可能尚未包含的位置。

在不使用排除元素功能的情况下,不要细化奇异位置 (尖角、点或边载荷和约束) 处的网格。这样操作会无限增大应力而不会达到任何边界值。

鸿图学院Proe/Creo产品设计vip课程学习内容

2021-05-06

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发表于: 2021-06-05 05:48:31 AM
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