Перейти к содержанию

Управление шагами

Структурный анализ в FrontISTR выполняется по шагам с переключением граничных условий, нагрузок, контакта и активации элементов. На этой странице описываются временной интервал, подшаги, критерии сходимости и выбор между фиксированными приращениями и автоматическими приращениями/cutback для каждого шага.

Термины времени анализа

На этой странице используются следующие термины для различения времени анализа.

  • Текущее время: полное время, прошедшее с начала анализа.
  • Время шага: время, прошедшее с начала текущего шага.
  • Временной интервал: время анализа, на которое выполняется продвижение за один шаг.
  • Относительное время: время шага, деленное на временной интервал. В начале шага оно равно 0, а в конце — 1.
  • Приращение времени: приращение от текущего времени до следующего момента, в котором решается уравнение равновесия.

Определения терминов, связанных со временем анализа

Рис. 4.7.1 Определения терминов, связанных со временем анализа

Обзор функций

Управление шагами организовано по следующим аспектам.

Аспект Назначение Основная настройка
Метод приращений Определяет, выполняется ли шаг с фиксированными приращениями или приращение времени корректируется в зависимости от сходимости !STEP
Тип шага Определяет, является ли шаг статическим анализом или вязким анализом, включающим вязкоупругость или ползучесть (отдельная настройка от типа анализа в !SOLUTION; действует только для статического анализа и не используется в динамическом анализе) !STEP
Активируемые условия Выбирает группы граничных условий, нагрузок, контакта и активации элементов для каждого шага Строки данных !STEP
Критерии сходимости Настраивает для каждого шага такие критерии, как невязка, множители Лагранжа и приращения перемещений !STEP
Время вывода Задает моменты времени, в которые при автоматических приращениях обязательно должны выполняться расчет и вывод !TIME_POINTS и !STEP

Для статического анализа можно выбрать фиксированные приращения или автоматические приращения/cutback. В динамическом анализе условия также можно переключать несколькими записями !STEP; рекомендуется задавать в !STEP как фиксированное приращение времени, так и временной интервал шага. В !DYNAMIC значения n_step и t_delta рассматриваются как значения по умолчанию при отсутствии !STEP и для обратной совместимости. Автоматические приращения/cutback могут использоваться с нелинейными неявными методами. Управление временем в анализе теплопроводности выполняется не через !STEP, а посредством задания временного шага в !HEAT.

Условия, активируемые на шаге, задаются идентификатором группы. Поскольку граничные условия, нагрузки, контакт и активация элементов могут переключаться по шагам, поэтапное нагружение, переключение контактных условий и анализы с последовательностью строительства можно описать в одном файле управления анализом. Выбор режимов активации/деактивации элементов см. в разделе Активация/деактивация элементов.

Выбор управления шагами

Выбирайте метод приращений с учетом нелинейности анализа и требуемых моментов вывода.

  • Для линейных анализов или анализов, завершающихся за один шаг, подробная настройка управления приращениями часто не требуется.
  • Для нелинейных статических анализов, в которых нагрузки и отклик изменяются плавно, часто достаточно фиксированных приращений. При затрудненной сходимости уменьшите приращение времени.
  • Для анализов с возникновением или исчезновением контакта, развитием текучести, большими деформациями или резкими изменениями нелинейности материала в первую очередь следует рассмотреть автоматические приращения/cutback. Приращения можно увеличивать на участках с легкой сходимостью и уменьшать на участках с затрудненной сходимостью.
  • Если при автоматических приращениях результаты требуются в определенные моменты времени, используйте также список моментов вывода.

Настраивайте критерии сходимости, соблюдая баланс между устойчивостью анализа и временем вычислений. Ужесточение критериев сходимости повышает точность равновесия, но увеличивает число итераций. В анализах с контактом или множителями Лагранжа на ход расчета влияют не только обычный критерий невязки, но также число контактных итераций и критерий множителя Лагранжа.

Управление шагами статического анализа

Статический анализ состоит из одного или нескольких шагов анализа. Итерация по шагам называется циклом шагов, а итерация, в которой один шаг решается путем деления на приращения времени, — циклом подшагов. На каждом подшаге равновесие рассчитывается с учетом коэффициента нагрузки, граничных условий, состояния контакта и других условий в заданный момент времени.

При фиксированных приращениях время внутри шага продвигается на заданную величину. Если сходимость не достигнута, анализ на этом прекращается.

При автоматических приращениях/cutback следующее базовое значение приращения времени dtime_base обновляется по состоянию сходимости предыдущего подшага. Если сходимость не достигнута, восстанавливается ранее сохраненное состояние и тот же временной диапазон пересчитывается с меньшим приращением времени.

Схема управления приращениями

Рис. 4.7.2 Схема управления приращениями

Алгоритм автоматических приращений/cutback следующий.

  1. В начале шага начальное приращение времени используется как dtime_base.
  2. Фактическое приращение времени определяется так, чтобы не перескочить конец шага или следующий момент вывода.
  3. Рассчитывается равновесие в момент времени, полученный продвижением от текущего времени на величину приращения времени.
  4. Если расчет сходится, время продвигается, а следующее dtime_base увеличивается или уменьшается в зависимости от состояния сходимости.
  5. Если расчет не сходится, состояние восстанавливается, dtime_base уменьшается с использованием коэффициента уменьшения cutback, после чего расчет повторяется.
  6. Когда текущее время достигает конца шага, данный шаг завершается.

Решение об увеличении или уменьшении приращения принимается по состоянию итераций предыдущего подшага. Для этого используются следующие три основные величины.

Величина Значение
N_max Максимальное число итераций метода Ньютона
N_sum Общее число итераций метода Ньютона; при отсутствии контактных итераций равно N_max
N_cont Число контактных итераций

Если состояние, при котором хотя бы одна из величин N_max, N_sum или N_cont превышает порог уменьшения, сохраняется заданное число раз, приращение времени уменьшается. И наоборот, если состояние, при котором все три величины остаются в пределах порогов увеличения, сохраняется заданное число раз, приращение времени увеличивается. При увеличении оно корректируется так, чтобы не превышать верхний предел.

При автоматических приращениях/cutback анализ завершается с ошибкой в следующих случаях.

  • Верхний предел числа подшагов достигнут до конца шага.
  • Базовое значение приращения времени становится меньше нижнего предела приращения времени.
  • Достигнут верхний предел числа последовательных cutback.

В следующем примере включены автоматические приращения и заданы начальное приращение времени 0,01, временной интервал шага 2,5, нижний предел приращения времени 1E-5, верхний предел 0,3 и максимум 200 подшагов. Шагу назначены набор параметров автоматического приращения AP1 и список моментов вывода TP1, содержащий полные времена 1,5, 2,7 и 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

Формат входных данных и значения параметров по умолчанию см. в !STEP, !AUTOINC_PARAM и !TIME_POINTS.

Управление шагами динамического анализа

Для прямого интегрирования по времени в динамическом анализе метод решения и параметры интегрирования по времени задаются через !DYNAMIC, а шаги анализа, группы граничных условий и нагрузок и метод приращений — через !STEP. Если !STEP отсутствует, анализ рассматривается как одношаговый, в котором активны все граничные условия и нагрузки.

При фиксированных приращениях во второй строке !STEP задайте DTIME, ETIME для управления приращением времени и временным интервалом каждого шага. Несколько записей !STEP позволяют переключать активные группы граничных условий и нагрузок по шагам. В !DYNAMIC значения t_delta и n_step рассматриваются как значения по умолчанию для устаревших одношаговых входных данных без !STEP и для обратной совместимости. Для новых входных данных рекомендуется явно задавать временные условия через !STEP, даже если используются фиксированные приращения.

При использовании автоматических приращений задайте !STEP, INC_TYPE=AUTO, а в строке данных !STEP укажите начальное приращение времени, временной интервал шага, нижний и верхний пределы приращения времени. При нелинейном неявном методе приращение времени увеличивается или уменьшается в зависимости от состояния итераций Ньютона и контактных итераций; если сходимость не достигнута, предыдущее состояние восстанавливается и расчет повторяется с меньшим приращением времени.

В !STEP параметр TYPE (STATIC/VISCO) является переключателем временной зависимости материала для шага и действует только в статическом анализе. В динамическом анализе он не используется, а приращение времени всегда рассматривается как физическое время; поэтому задание !STEP с TYPE в динамическом анализе не оказывает эффекта.

Метод интегрирования по времени и коэффициенты, например коэффициенты метода Ньюмарка-β, задаются через !DYNAMIC. Формат входных данных см. в !DYNAMIC и !STEP.

Управление шагом анализа теплопроводности

Временной шаг анализа теплопроводности задается через !HEAT. В !HEAT задается набор значений, включающий временной шаг, конечное время, минимальный временной шаг, максимальное изменение температуры, число итераций и критерий сходимости.

Управление временем в анализе теплопроводности работает через механизм, отдельный от !STEP, INC_TYPE=AUTO статического структурного анализа. Поэтому при настройке временного шага анализа теплопроводности не используйте !STEP; вместо этого используйте настройки !HEAT. Формат входных данных см. в !HEAT.

Задание моментов вывода

Поскольку при автоматических приращениях приращение времени изменяется в зависимости от сходимости, моменты вывода результатов могут быть заранее неизвестны. !TIME_POINTS — это список моментов времени, используемый для корректировки приращения времени так, чтобы в заданные моменты обязательно рассчитывалось равновесие и можно было вывести результаты.

Список времени можно задавать либо как полное время от начала анализа, либо как время шага от начала текущего шага. Полное время используйте для задания общих моментов для нескольких шагов, а время шага — для задания одинаковых относительных позиций вывода на каждом шаге.

Для каждого шага используемый список времени указывается из !STEP. При совместном использовании с автоматическими приращениями приращение времени сокращается так, чтобы не перескочить следующий момент вывода или конец шага. Формат входных данных см. в !TIME_POINTS.

Связанные темы