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Controllo degli step

L'analisi strutturale in FrontISTR procede commutando, step per step, condizioni al contorno, carichi, contatto e attivazione degli elementi. Questa pagina descrive, per ciascuno step, l'intervallo temporale, i substep, i criteri di convergenza e come scegliere tra incrementi fissi e incrementi automatici/cutback.

Terminologia relativa al tempo di analisi

In questa pagina il tempo di analisi viene distinto utilizzando i termini seguenti.

  • Tempo corrente: tempo totale trascorso dall'inizio dell'analisi.
  • Tempo dello step: tempo trascorso dall'inizio dello step corrente.
  • Intervallo temporale: tempo di analisi coperto da un singolo step.
  • Tempo relativo: tempo dello step diviso per l'intervallo temporale. Vale 0 all'inizio dello step e 1 alla fine dello step.
  • Incremento temporale: incremento dal tempo corrente al successivo istante in cui viene risolto l'equilibrio.

Definizioni dei termini relativi al tempo di analisi

Figura 4.7.1 Definizioni dei termini relativi al tempo di analisi

Panoramica delle funzioni

Il controllo degli step è organizzato secondo i seguenti aspetti.

Aspetto Ruolo Specifica principale
Metodo di incremento Determina se uno step avanza con incrementi fissi oppure se l'incremento temporale viene regolato in base alla convergenza !STEP
Tipo di step Determina se lo step è un'analisi statica oppure un'analisi viscosa comprendente viscoelasticità o creep !STEP
Condizioni da attivare Seleziona, per ciascuno step, i gruppi di condizioni al contorno, carichi, contatto e attivazione degli elementi Righe dati di !STEP
Criteri di convergenza Regola, per ciascuno step, criteri quali residui, moltiplicatori di Lagrange e incrementi di spostamento !STEP
Tempo di output Specifica gli istanti in cui il calcolo e l'output devono avvenire quando si usano incrementi automatici !TIME_POINTS e !STEP

Per l'analisi statica è possibile selezionare incrementi fissi oppure incrementi automatici/cutback. Anche nell'analisi dinamica le condizioni possono essere commutate tramite più voci !STEP; si raccomanda inoltre di specificare con !STEP sia l'incremento temporale fisso sia l'intervallo temporale dello step. In !DYNAMIC, n_step e t_delta sono trattati come valori predefiniti quando !STEP è omesso o per compatibilità all'indietro. Gli incrementi automatici/cutback possono essere utilizzati con metodi impliciti non lineari. Il controllo temporale dell'analisi di conduzione termica non viene gestito con !STEP, bensì tramite la specifica del passo temporale in !HEAT.

Le condizioni attivate in uno step sono specificate tramite ID di gruppo. Poiché condizioni al contorno, carichi, contatto e attivazione degli elementi possono essere commutati per step, è possibile rappresentare in un unico file di controllo dell'analisi caricamenti per fasi, commutazione delle condizioni di contatto e analisi con sequenze costruttive. Per la selezione delle modalità di attivazione/disattivazione degli elementi, vedere Attivazione/disattivazione degli elementi.

Scelta del controllo degli step

Scegliere il metodo di incremento in base alla non linearità dell'analisi e agli istanti di output richiesti.

  • Per analisi lineari o analisi completate in un solo step, spesso non è necessario regolare in dettaglio il controllo degli incrementi.
  • Per analisi statiche non lineari in cui carichi e risposte variano in modo regolare, gli incrementi fissi sono spesso sufficienti. Se la convergenza è difficile, ridurre l'incremento temporale.
  • Per analisi che comprendono l'inizio o la perdita del contatto, la progressione dello snervamento, grandi deformazioni o variazioni brusche della non linearità del materiale, considerare prioritariamente gli incrementi automatici/cutback. Gli incrementi possono essere aumentati nelle zone che convergono facilmente e ridotti nelle zone difficili da far convergere.
  • Se si desidera ottenere risultati a istanti specifici utilizzando incrementi automatici, utilizzare anche un elenco degli istanti di output.

Regolare i criteri di convergenza bilanciando stabilità dell'analisi e tempo di calcolo. Rendere più severi i criteri di convergenza migliora l'accuratezza dell'equilibrio, ma aumenta il numero di iterazioni. Nelle analisi che includono contatto o moltiplicatori di Lagrange, non solo il normale criterio sul residuo, ma anche il numero di iterazioni di contatto e il criterio sui moltiplicatori di Lagrange influenzano l'avanzamento del calcolo.

Controllo degli step per l'analisi statica

L'analisi statica è composta da uno o più step di analisi. L'iterazione sugli step è detta ciclo degli step, mentre l'iterazione che risolve uno step suddividendolo in incrementi temporali è detta ciclo dei substep. In ogni substep, l'equilibrio viene calcolato usando il fattore di carico, le condizioni al contorno, lo stato di contatto e le altre condizioni all'istante specificato.

Con incrementi fissi, l'incremento temporale all'interno dello step avanza del valore specificato. Se la convergenza fallisce, l'analisi termina in quel punto.

Con incrementi automatici/cutback, il successivo valore base dell'incremento temporale dtime_base viene aggiornato in base allo stato di convergenza del substep precedente. Se la convergenza fallisce, viene ripristinato lo stato salvato in precedenza e lo stesso intervallo temporale viene ricalcolato con un incremento temporale più piccolo.

Flusso di controllo degli incrementi

Figura 4.7.2 Flusso di controllo degli incrementi

Il flusso degli incrementi automatici/cutback è il seguente.

  1. All'inizio di uno step, l'incremento temporale iniziale viene usato come dtime_base.
  2. Determinare l'incremento temporale effettivo in modo da non superare il tempo di fine dello step o il successivo istante di output.
  3. Calcolare l'equilibrio all'istante ottenuto avanzando dal tempo corrente dell'incremento temporale.
  4. Se il calcolo converge, avanzare il tempo e aumentare o diminuire il successivo dtime_base in base allo stato di convergenza.
  5. Se il calcolo non converge, ripristinare lo stato, ridurre dtime_base utilizzando il rapporto di riduzione del cutback e ricalcolare.
  6. Quando il tempo corrente raggiunge il tempo di fine dello step, terminare lo step.

La decisione di aumentare o diminuire l'incremento viene presa in base allo stato delle iterazioni del substep precedente. Le tre quantità rappresentative usate per questa decisione sono le seguenti.

Quantità Significato
N_max Numero massimo di iterazioni del metodo di Newton
N_sum Numero totale di iterazioni del metodo di Newton; uguale a N_max quando non vi sono iterazioni di contatto
N_cont Numero di iterazioni di contatto

Se la condizione in cui uno qualsiasi tra N_max, N_sum o N_cont supera la relativa soglia di diminuzione continua per il numero di volte specificato, l'incremento temporale viene ridotto. Al contrario, se la condizione in cui tutti e tre restano entro le rispettive soglie di aumento continua per il numero di volte specificato, l'incremento temporale viene aumentato. Durante l'aumento, l'incremento viene regolato in modo da non superare il limite superiore.

Con incrementi automatici/cutback, l'analisi termina con esito negativo nei seguenti casi.

  • Viene raggiunto il limite superiore del numero di substep prima del tempo di fine dello step.
  • Il valore base dell'incremento temporale scende al di sotto del limite inferiore dell'incremento temporale.
  • Viene raggiunto il limite superiore dei cutback consecutivi.

L'esempio seguente abilita gli incrementi automatici e imposta un incremento temporale iniziale di 0.01, un intervallo temporale dello step di 2.5, un limite inferiore dell'incremento temporale di 1E-5, un limite superiore di 0.3 e un massimo di 200 substep. Allo step vengono assegnati il set di parametri per l'incremento automatico AP1 e l'elenco degli istanti di output TP1, contenente i tempi totali 1.5, 2.7 e 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

Per il formato di input e il valore predefinito di ciascun parametro, vedere !STEP, !AUTOINC_PARAM e !TIME_POINTS.

Controllo degli step per l'analisi dinamica

Per l'integrazione temporale diretta nell'analisi dinamica, specificare il metodo di soluzione e i parametri di integrazione temporale con !DYNAMIC, e specificare gli step di analisi, i gruppi di condizioni al contorno e di carico e il metodo di incremento con !STEP. Se !STEP viene omesso, l'analisi viene trattata come analisi a step singolo in cui tutte le condizioni al contorno e tutti i carichi sono attivi.

Con incrementi fissi, nella seconda riga di !STEP specificare DTIME, ETIME per controllare, per ciascuno step, l'incremento temporale e l'intervallo temporale dello step. Definendo più voci !STEP è possibile commutare, step per step, i gruppi attivi di condizioni al contorno e di carico. In !DYNAMIC, t_delta e n_step sono trattati come valori predefiniti per gli input legacy a step singolo in cui !STEP è omesso e per compatibilità all'indietro. Per i nuovi input, si raccomanda di specificare esplicitamente le condizioni temporali con !STEP anche quando si usano incrementi fissi.

Quando si usano incrementi automatici, specificare !STEP, INC_TYPE=AUTO e fornire nella riga dati di !STEP l'incremento temporale iniziale, l'intervallo temporale dello step, il limite inferiore e il limite superiore dell'incremento temporale. Con un metodo implicito non lineare, l'incremento temporale viene aumentato o diminuito in base allo stato delle iterazioni di Newton e delle iterazioni di contatto; se la convergenza fallisce, viene ripristinato lo stato precedente e il calcolo viene ripetuto con un incremento temporale più piccolo.

Il metodo di integrazione temporale e coefficienti quali quelli del metodo Newmark-β sono specificati con !DYNAMIC. Per il formato di input, vedere !DYNAMIC e !STEP.

Controllo degli step per l'analisi di conduzione termica

Il passo temporale per l'analisi di conduzione termica è specificato con !HEAT. !HEAT specifica un insieme di valori comprendente passo temporale, tempo finale, passo temporale minimo, variazione massima di temperatura, numero di iterazioni e criterio di convergenza.

Il controllo temporale dell'analisi di conduzione termica opera mediante un meccanismo distinto da !STEP, INC_TYPE=AUTO dell'analisi strutturale statica. Pertanto, quando si regola il passo temporale nell'analisi di conduzione termica, non utilizzare !STEP; utilizzare invece la specifica !HEAT. Per il formato di input, vedere !HEAT.

Specifica degli istanti di output

Poiché l'incremento temporale varia in funzione della convergenza quando si usano incrementi automatici, gli istanti in cui vengono prodotti i risultati possono non essere noti in anticipo. !TIME_POINTS è un elenco di istanti usato per regolare l'incremento temporale in modo che l'equilibrio venga sempre calcolato e i risultati possano essere prodotti agli istanti specificati.

Un elenco di istanti può essere specificato come tempo totale dall'inizio dell'analisi oppure come tempo dello step dall'inizio dello step. Usare il tempo totale per specificare istanti comuni a più step e il tempo dello step per specificare le stesse posizioni relative di output per ciascuno step.

Per ogni step, l'elenco di istanti da usare viene referenziato da !STEP. Se usato insieme agli incrementi automatici, l'incremento temporale viene ridotto in modo da non superare il successivo istante di output o il tempo di fine dello step. Per il formato di input, vedere !TIME_POINTS.

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