ABAQUS中Standard分析模块和Explicit分析模块的区别
1、选择：
ABAQUS/Standard：能够广泛领域的线性和非线性问题，包括静态分析、动态分析，以复杂的非线性耦合物理场分析等。
- 没有稳定时间增量的限制：完成指定分析，一般需要较少的时间增量；
- 因为每个增量步都需要求解线性方程组，所以每个增量步的费用非常昂贵；
- 适合于模拟与模型的振动频率相比研究响应周期较长的问题；
- 由于时间增量的限制，使用显式动力学求解效率很低；
- 用于具有适度非线性的问题，其中非线性是平滑的（比如，塑性）；
- 如果是平滑的非线性响应， Abaqus/Standard需要较少次数的迭代找到收敛解。
ABAQUS/Explicit：适用于求解非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。此外，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效（例如模拟成形问题）。
- 有稳定时间增量的限制： 完成指定分析，一般需要较多的时间增量；
- 因为不需要求解线性方程组，所以每个增量步的费用较低；
- 所有的计算费用与单元计算相关；
- 适合于模拟高速动力学问题；
- 需要较少的时间增量，隐式动力学效率较低；
- 对于包含不连续的非线性问题，一般更加可靠；
- 接触行为是不连续的，并且包含碰撞，对于隐式时间积分，接触和碰撞将产生求解问题；
- 其它不连续行为包括屈曲和材料失效。
对于求解光滑的非线性问题,ABAQUS/Standard是更有效的;另一方面,对于波的传播分析,ABAQUS/Explicit是明确的选择。然而,有一些静态或准静态问题,应用任何程序都能很好的进行模拟。特别的是,有些问题一般使用ABAQUS/Standard进行求解,但是由于接触或者材料的复杂性,可能难以收敛,从而导致大量的迭代。因为每次迭代都需要求解由大量线性方程组成的方程组,这些使用ABAQUS/Standard的分析,其代价是相当昂贵的。
ABAQUS/Standard必须进行迭代才能确定非线性问题的解答,而ABAQUS/Explicit通过由前一增量步显式地前推动力学状态,确定解答无需进行迭代。应用显式方法,即便对于一个给定的可能需要大量的时间增量步的分析,如果同样的分析应用ABAQUS/Standard亦需要大量的迭代,应用ABAQUS/Explicit进行分析可能是更为有效的。
对于同样的模拟,ABAQUS/Explicit的另一个优点是它需要的磁盘空间和内存远远小于ABAQUS/Standard。对于可以比较两个程序计算成本的问题,节省大量的磁盘空间和内存使得ABAQUS/Explicit更具有吸引力。
2. 区别：
ABAQUS/Standard: 是一个通用模块，它采用隐式求解方法。在每个求解增量步中，隐式地求解方程组。
ABAQUS/Explicit: 可以进行显示动态分析。在时间域中以很小的时间增量步向前推出结果，而无需在每个增量步求解耦合的方程系统或者生成总体刚度矩阵。
在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit之间的主要区别
| 参量 |
ABAQUS/Standard |
ABAQUS/Explicit |
| 单元库 |
提供了丰富的单元库。 |
提供了适用于显式分析的丰富的单元库,这些单元是在ABAQUS/Standard中单元的子集。 |
| 分析过程 |
一般过程和线性摄动过程。 |
一般过程。 |
| 材料模型 |
提供了广泛的材料模型。 |
类似于在ABAQUS/Standard中的材料模型;一个显著的区别是提供了允许材料失效的模型。 |
| 接触公式 |
对于求解接触问题,具有强健的能力。 |
具有强健的接触功能,甚至能够解决最复杂的接触模拟。 |
| 求解技术 |
应用基于刚度的求解技术,具有无条件稳定性。 |
应用显式积分求解技术,具有条件稳定性。 |
| 磁盘空间和内存 |
由于在增量步中大量的迭代,可能占用大量的磁盘空间和内存。 |
磁盘空间和内存的占用量相对于ABAQUS/Standard要小很多。 |
3、隐式和显式分析中网格加密的成本
使用显式方法,耗时与单元数量成正比,并且大致与最小单元的尺寸成反比。由于增加了单元的数量和减小了最小单元的尺寸,因此网格细划增加了计算成本。
作为一个例子,考虑由均匀的方形单元组成的一个三维模型,如果沿所有三个方向以2倍的因数细划网格,作为单元数目增加的结果而增加的计算成本为2×2×2倍,而作为最小单元尺寸减小的结果而增加的计算成本为2倍。由于网格细划,整个分析的计算成本增加为
,或16倍。磁盘空间和内存需求与单元数目成正比,与单元尺寸无关;因此,这些需求增加为8倍。
对于显式方法,可以很直接地预测随着网格细划带来的计算成本增加,而当采用隐式方法时,预测成本是非常困难的。困难来自于在单元连接和求解成本之间的关系,在显式方法中不存在这种关系。应用隐式方法,经验表明对于许多问题的计算成本大致与自由度数目的平方成正比。考虑一个采用均匀的、方形单元的三维模型的同样例子,如果沿三个方向都以2倍的比例细划网格,自由度的数目大致增加为
倍,导致计算成本大约增加为
倍,或64倍。尽管实际的增加难以预测,但是磁盘空间和内存的需求将以同样的方式增加。
只要网格是相对均匀的,随着模型尺寸的增长,显式方法表明比隐式方法节省了大量的计算成本。应用显式与隐式方法,图1说明了计算成本与模型尺寸的比较。对于这个问题,自由度数目与单元数目成比例。
图1 隐式和显式方法中耗费-模型尺寸图
参考文献
- 《ABAQUS有限元实例详解》石亦平等
- 《Abaqus/Standard 有限元入门指南》庄茁等