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Control de pasos

El análisis estructural de FrontISTR avanza cambiando por pasos las condiciones de contorno, las cargas, el contacto y la activación de elementos. Esta página explica, para cada paso, el intervalo temporal, los subpasos, los criterios de convergencia y cómo elegir entre incrementos fijos e incrementos automáticos/cutback.

Terminología relativa al tiempo de análisis

En esta página, el tiempo de análisis se distingue mediante los siguientes términos.

  • Tiempo actual: Tiempo total transcurrido desde el inicio del análisis.
  • Tiempo del paso: Tiempo transcurrido desde el inicio del paso actual.
  • Intervalo temporal: Tiempo de análisis que se avanza en un paso.
  • Tiempo relativo: Tiempo del paso dividido por el intervalo temporal. Vale 0 al inicio del paso y 1 al final del paso.
  • Incremento de tiempo: Incremento desde el tiempo actual hasta el siguiente instante en el que se calcula el equilibrio.

Definición de términos relativos al tiempo de análisis

Figura 4.7.1 Definición de términos relativos al tiempo de análisis

Visión general de la función

El control de pasos se organiza según los siguientes aspectos.

Aspecto Función Especificación principal
Método de incremento Determina si el paso avanza con incrementos fijos o si el incremento de tiempo se ajusta según el estado de convergencia !STEP
Tipo de paso Determina si se trata de un análisis estático o de un análisis viscoso que incluye viscoelasticidad o fluencia (eje de especificación distinto del tipo de análisis de !SOLUTION; solo es válido en análisis estático y no se utiliza en análisis dinámico) !STEP
Condiciones que se activan Selecciona para cada paso los grupos de condiciones de contorno, cargas, contacto y activación de elementos Líneas de datos de !STEP
Criterios de convergencia Ajusta para cada paso los valores de criterio, como el residuo, los multiplicadores de Lagrange y los incrementos de desplazamiento !STEP
Tiempo de salida Especifica los instantes en los que deben realizarse necesariamente el cálculo y la salida cuando se usan incrementos automáticos !TIME_POINTS y !STEP

En el análisis estático pueden seleccionarse incrementos fijos o incrementos automáticos/cutback. En el análisis dinámico también pueden cambiarse las condiciones mediante varias entradas !STEP, y se recomienda especificar con !STEP tanto el incremento de tiempo fijo como el intervalo temporal del paso. En !DYNAMIC, n_step y t_delta se tratan como valores predeterminados cuando se omite !STEP o por compatibilidad con versiones anteriores. Los incrementos automáticos/cutback pueden utilizarse con métodos implícitos no lineales. El control temporal del análisis de conducción térmica no se realiza mediante !STEP, sino mediante la especificación del paso temporal de !HEAT.

Las condiciones que se activan en un paso se especifican mediante el ID de grupo. Como las condiciones de contorno, las cargas, el contacto y la activación de elementos pueden cambiarse de un paso a otro, es posible representar en un único archivo de control de análisis la aplicación escalonada de cargas, el cambio de condiciones de contacto y análisis que incluyan secuencias constructivas. Para seleccionar el modo de activación/desactivación de elementos, consulte Activación/desactivación de elementos.

Cómo elegir el control de pasos

El método de incremento se elige en función de la no linealidad del análisis y de los requisitos de los tiempos de salida.

  • En análisis lineales o análisis que se completan en un solo paso, a menudo no es necesario ajustar detalladamente el control de incrementos.
  • En análisis estáticos no lineales en los que la carga y la respuesta varían suavemente, los incrementos fijos suelen ser suficientes. Si resulta difícil alcanzar la convergencia, reduzca el incremento de tiempo.
  • En análisis que incluyan inicio o separación del contacto, evolución de la plastificación, grandes deformaciones o cambios bruscos de la no linealidad del material, conviene considerar prioritariamente los incrementos automáticos/cutback. El incremento puede aumentarse en los intervalos que convergen con facilidad y reducirse en los que presentan dificultades de convergencia.
  • Si se desean resultados en instantes específicos mientras se utilizan incrementos automáticos, utilice conjuntamente una lista de tiempos de salida.

Los valores de los criterios de convergencia se ajustan buscando un equilibrio entre la estabilidad del análisis y el tiempo de cálculo. Hacer más estrictos los criterios de convergencia mejora la precisión del equilibrio de los resultados, pero aumenta el número de iteraciones. En análisis que incluyen contacto o multiplicadores de Lagrange, no solo el criterio habitual basado en el residuo, sino también el número de iteraciones de contacto y el criterio de los multiplicadores de Lagrange influyen en el avance del cálculo.

Control de pasos en el análisis estático

El análisis estático consta de uno o varios pasos de análisis. La iteración sobre los pasos se denomina bucle de pasos, y la iteración que resuelve un paso dividiéndolo en incrementos de tiempo se denomina bucle de subpasos. En cada subpaso se calcula el equilibrio utilizando el factor de carga, las condiciones de contorno, el estado de contacto y otras condiciones correspondientes al instante especificado.

Con incrementos fijos, el incremento de tiempo dentro del paso avanza con el valor especificado. Si no se alcanza la convergencia, el análisis termina en ese punto.

Con incrementos automáticos/cutback, el siguiente valor base del incremento de tiempo dtime_base se actualiza a partir del estado de convergencia del subpaso anterior. Si no se alcanza la convergencia, se restaura el estado guardado anteriormente y se vuelve a calcular el mismo intervalo temporal con un incremento de tiempo menor.

Flujo del control de incrementos

Figura 4.7.2 Flujo del control de incrementos

El flujo de los incrementos automáticos/cutback es el siguiente.

  1. Al iniciar un paso, el incremento de tiempo inicial se establece como dtime_base.
  2. Se determina el incremento de tiempo efectivo de forma que no sobrepase el instante final del paso ni el siguiente tiempo de salida.
  3. Se calcula el equilibrio en el instante obtenido al avanzar desde el tiempo actual una cantidad igual al incremento de tiempo.
  4. Si se alcanza la convergencia, se avanza el tiempo y se aumenta o reduce el siguiente dtime_base según el estado de convergencia.
  5. Si no se alcanza la convergencia, se restaura el estado, se reduce dtime_base mediante el factor de reducción de cutback y se repite el cálculo.
  6. Cuando el tiempo actual alcanza el instante final del paso, se finaliza ese paso.

El aumento o la reducción del incremento se determina a partir del estado de las iteraciones del subpaso anterior. Las tres magnitudes representativas utilizadas para esta decisión son las siguientes.

Magnitud Significado
N_max Número máximo de iteraciones del método de Newton
N_sum Número total de iteraciones del método de Newton; coincide con N_max cuando no hay iteraciones de contacto
N_cont Número de iteraciones de contacto

Si durante el número de veces especificado se mantiene el estado en el que cualquiera de N_max, N_sum o N_cont supera su umbral de reducción, se reduce el incremento de tiempo. Por el contrario, si durante el número de veces especificado se mantiene el estado en el que las tres magnitudes permanecen dentro de sus umbrales de aumento, se aumenta el incremento de tiempo. Al aumentarlo, se ajusta para no superar el límite superior del incremento de tiempo.

Con incrementos automáticos/cutback, el análisis termina como fallido en los siguientes casos.

  • Se alcanza el límite superior del número de subpasos antes del final del paso.
  • El valor base del incremento de tiempo cae por debajo del límite inferior del incremento de tiempo.
  • Se alcanza el límite superior del número de cutbacks consecutivos.

El siguiente ejemplo habilita los incrementos automáticos y establece un incremento de tiempo inicial de 0.01, un intervalo temporal del paso de 2.5, un límite inferior del incremento de tiempo de 1E-5, un límite superior de 0.3 y un máximo de 200 subpasos. Al paso se le asignan el conjunto de parámetros de incremento automático AP1 y la lista de tiempos de salida TP1, que contiene los tiempos totales 1.5, 2.7 y 3.9.

!AUTOINC_PARAM, NAME=AP1
0.25, 10, 50, 10, 1
1.25,  1,  1,  1, 2
0.25,  5
!TIME_POINTS, TIME=TOTAL, NAME=TP1
1.5
2.7
3.9
!STEP, INC_TYPE=AUTO, SUBSTEPS=200, AUTOINCPARAM=AP1, TIMEPOINTS=TP1
0.01, 2.5, 1E-5, 0.3

Para conocer el formato de entrada y los valores predeterminados de cada parámetro, consulte !STEP, !AUTOINC_PARAM y !TIME_POINTS.

Control de pasos en el análisis dinámico

En la integración temporal directa del análisis dinámico, el método de resolución y los parámetros de integración temporal se especifican con !DYNAMIC, mientras que los pasos de análisis, los grupos de condiciones de contorno y cargas y el método de incremento se especifican con !STEP. Si se omite !STEP, el análisis se trata como un análisis de un solo paso en el que están activas todas las condiciones de contorno y cargas.

Con incrementos fijos, en la segunda línea de !STEP especifique DTIME, ETIME para controlar, en cada paso, el incremento de tiempo y el intervalo temporal del paso. Al definir varias entradas !STEP, pueden cambiarse los grupos de condiciones de contorno y cargas que se activan en cada paso. En !DYNAMIC, t_delta y n_step se tratan como valores predeterminados para la entrada antigua de un único paso en la que se omite !STEP, así como por compatibilidad con versiones anteriores. Para nuevas entradas, se recomienda especificar explícitamente las condiciones temporales mediante !STEP incluso cuando se utilicen incrementos fijos.

Cuando se utilicen incrementos automáticos, especifique !STEP, INC_TYPE=AUTO e indique en la línea de datos de !STEP el incremento de tiempo inicial, el intervalo temporal del paso, el límite inferior del incremento de tiempo y el límite superior del incremento de tiempo. Con un método implícito no lineal, el incremento de tiempo aumenta o disminuye según el estado de las iteraciones de Newton y las iteraciones de contacto; si no se alcanza la convergencia, se restaura el estado anterior y se repite el cálculo con un incremento de tiempo menor.

TYPE (STATIC/VISCO) de !STEP es un conmutador de dependencia temporal del material en el paso y solo es válido en el análisis estático. En el análisis dinámico no se utiliza, y el incremento de tiempo siempre se trata como tiempo real; por tanto, especificar TYPE en !STEP para un análisis dinámico no tiene efecto.

El método de integración temporal y coeficientes como los del método Newmark-β se especifican con !DYNAMIC. Para conocer el formato de entrada, consulte !DYNAMIC y !STEP.

Control de pasos en el análisis de conducción térmica

El paso temporal del análisis de conducción térmica se especifica con !HEAT. En !HEAT se proporciona conjuntamente un conjunto de valores que incluye el paso temporal, el tiempo final, el paso temporal mínimo, la variación máxima de temperatura, el número de iteraciones y el valor del criterio de convergencia.

El control temporal del análisis de conducción térmica funciona mediante un mecanismo distinto de !STEP, INC_TYPE=AUTO del análisis estructural estático. Por tanto, al ajustar el paso temporal en un análisis de conducción térmica, no utilice !STEP; compruebe en su lugar la especificación de !HEAT. Para conocer el formato de entrada, consulte !HEAT.

Especificación de los tiempos de salida

Con incrementos automáticos, el incremento de tiempo cambia según el estado de convergencia, por lo que los instantes de salida de los resultados pueden no coincidir de antemano. !TIME_POINTS es una lista de tiempos que permite ajustar el incremento de tiempo para que el equilibrio se calcule siempre en los instantes especificados y puedan generarse resultados en ellos.

La lista de tiempos puede especificarse como tiempo total desde el inicio del análisis o como tiempo del paso desde el inicio del paso. Utilice el tiempo total cuando desee especificar instantes comunes a varios pasos, y el tiempo del paso cuando desee especificar en cada paso las mismas posiciones relativas de salida.

En cada paso, la lista de tiempos que se utiliza se referencia desde !STEP. Cuando se combina con incrementos automáticos, el incremento de tiempo se recorta para no sobrepasar el siguiente tiempo de salida ni el instante final del paso. Para conocer el formato de entrada, consulte !TIME_POINTS.

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