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1、ADINA培训课程表培训课程表 第一天第一天 启动ADINA和ADINA界面结构 ADINA图标的可修改性 增加删除图标 定义快捷键 所谓Line Draw- Down图标的控制 定义宏命令 ADINA的模块控制 模块的位置 求解过程 一. ADINA总体介绍 Graph图形显示区的调整Edit GDI与OpenGL两种方式 设置AUI内存 设置背景颜色,窗口比例 设置图形环境参数 几何数据接口 IGES接口,MDT接口 Parasolid接口等 ADINA的文件系统 主要的手册及其用途说明 两种建模方式 Point- Line- Surface- Volume方式(ADINA- Native
2、) Body- Face- Edge- Point 方式(ADINA- Modeler) ADINA具体的几何建模功能和操作 Demo1:Native方式建六面体 Demo2:地下空间的建模和布尔操作 二. 几何模型建立 图形的动态调整 Zone的概念 设置图形显示属性 三. 图形显示方式 列表为弹出窗口形式 所有的Entity由此表唯一确定 创建、删除必须在表中进行 操作演示:采用数据库Zone.idb 四. 模型(有限元模型、载荷等)的列表管理方式 ADINA加载的习惯方式是加载几何Entity上; ADINA各种载荷,只讲特殊性的,如ADINA的接触、重力 荷载、地震加速度荷载,流固耦合
3、界面、单元生死等; 五. ADINA载荷 ADINA的Element Group的概念 材料属性与单元属性的组合; 划分网格时必须指定Element Group。 较为常用的单元类型及其关键选项的含义(缺省积分点, Kinematic Formulations),如3D Solid,2D Solid, Isobeam与Beam的 选择,Shell与plate的选择等 控制网格密度的方法 Demo5:3D parasolid体的网格划分(四面体、六面体)(dig.idb) Demo6:3种不同性质土层的单元划分(element- group.idb) 六. 网格划分 Exec 1:边坡的接触分析
4、 Exec 2:岸堤水流冲击的流固耦合分析 练习练习 第二天 材料属性 使用的应力应变量度 用户可能关心的一些材料模式要给以简单介绍 如多孔介质材料,土木材料,蠕变材料等 七. 材料模式 ADINA主菜单中的Control选项 主要讲解的是时间函数和时间步长控制,以及非线性求解、瞬态分 析的显式和隐式算法、自动时间步长等等的控制选项 收敛准则的选取 结果输出控制(控制输出结果文件的大小和后处理的步数) ADINA求解的内存分配 八. 求解控制和后处理 十一.非线性求解的特点和经验点滴 九. ADINA流体求解的输入和控制 Exec3:预应力混泥土结构受力分析 Exec4:岩土的固结沉降 十二.
5、 练习题 十. 后处理功能介绍 其它问题讨其它问题讨论。论。 7 材料模式本构 线弹 非线弹 塑性 岩土 混凝土 热本构 蠕变 橡胶/泡沫 粘弹 垫片材料 势流体 工程应变与真实应变 通常以拉伸应力应变曲线的形式提供塑性材料的数据。这些数据是以工程应力 (P/A0)对工程应变(l/l0),或真实应力(P/A)对真实(对数)应变(ln(l/l0)的形式。 大应变塑性分析的材料常数需要真实应力应变曲线,而小应变分析则使用工程应力 应变数据。 工程工程 真实真实 工程应变与真应变 既然对于小应变响应,工程应变与对数(真实)应变接近相等,真实应力和对数应变 可用于通用分析。 将工程量转化为真实量,使用
6、: ln= ln (1 + eng) true= eng(1 + eng) 注意:应力的转化只对不可压缩塑性应力应变数据有效。 塑性双线性模型 双线性使用双线段表示应力应变曲线,其中包括弹性模量和切向模量。 包 括各向同性硬化和随动硬化。随动强化包括Bauschinger效应。 y y ET 双线性随动强化所需输入的数据是弹性模量E,屈 服应力y和切向模量ET。 塑性多线性模型 都使用多个线段的应力应变曲线来模拟随动强化效应。使用von Mises 屈服准则, 包括各向同性和随动硬化。 输入弹性模量和应力应变数据点定义材料参数 : 每条应力应变曲线必须用同一组应变值; 曲线的第一个点必须与弹性
7、模量一致; 每一段的斜度不能超过弹性模量(不允许负斜度); 对于超过输入曲线末端的应变值,假设为理想塑性材 料。 单元算法 Truss Beam 2D Solid 3D solid Plate/shell Sping Pipe Fluid MITC4 Shell/Layers 接触算法 ADINA接触类型分为三种: Constrain function Segment Based Rigid Target( Drawbead Contact ) 基于拉格朗日乘子法,在接触界面定义了运动方程和 动力方程,动力方程中增加一个附加自由度(接触压 力), 通过多次迭代以满足不侵入条件。 F 八 ADI
8、NA的非线性求解控制 无论是静力问题还是动力问题,都采用时 间步控制载荷增量的大小; 对于静力问题,时间为伪时间;对于瞬态 问题,时间步为真实时间,用于计算加速 度、速度、应变率等物理量; 静态分析中,“ 时间 ” 作为计数器使用。在 静态分析中,“ 时间 ” 可设置为任何适当的 值。 时间步长时间步长 - 时时间步间步 例子:如果例子:如果每每步时间步长步时间步长 恒定为恒定为0.1,时时间步为间步为100 步,则计算步,则计算的的总时间为总时间为 10. 时间函数时间函数 任何载荷都必须由时间函数定 义其随时间的变化; 缺省的时间函数是随时间没有 变化; 任何时间步的载荷增量由时间 函数和
9、时间步长共同确定; 1.0 Load time 例子:荷载例子:荷载为为指定速度指定速度 ,速度为,速度为10mm/s,时间,时间 步长恒定为步长恒定为0.1,共计算共计算 150步,则最步,则最终终的压下的压下 距离为距离为150mm。 (40,400) 位 移 时间 时间步大小可由用户设定或由软件自动调整控 制; 自动时间步长是非线性分析必须的工具; 由用户控制最大尝试次数,二分、三分、四分 等;自动增大时间步长功能; F time load F1 F2 t t1t2 自动时间步自动时间步长(长(ATS) 自由度 2D 实体单元:Y Z 3D 实体单元 X Y Z 几何非线性: 大位移,小
10、应变 大位移,大应变 质量矩阵: Lamped / Consistent 集中质量矩阵 一致质量矩阵 写出重启动文件(Restart Info .RES) 写出结果文件(porthole .por) 收敛方法:Newton-Raphson/MNR 收敛准则:Energy(0.001) Energy and Force Energy and Displacement Force(0.01) Displacement(0.01) (L2范数) 十十 后处理后处理 1 云图云图 修改云图修改云图颜色颜色 等值线图等值线图 Smooth图图 2 时间步控制时间步控制 3 矢量图矢量图 4 接触反力接触
11、反力和和支反力图支反力图 5 同时显示同时显示多多个结果图个结果图 6 列表显示列表显示位移位移 7 节点或时节点或时程程曲线曲线 8 画合理曲画合理曲线(线(combine) 9 生成动画生成动画 10 输出输出图图片片 11 频域频域时时域域曲线曲线转换转换 十一 回顾结构非线性问题特性和求解方法 结构非线性现象 材料非线性() 几何非线性(D) 状态非线性(接触、失稳、相变) 接触非线性由于物理响应的不光滑性对求解造成困难。 非线性问题特性非线性问题特性 非线性结构的基本特征是结构刚度随载荷的改变而变化。如果绘制 一个非线性结构的载荷位移曲线,则力与位移的关系是非线性函 数。 KU =
12、F F u 当载荷增加当载荷增加时时,载荷,载荷 位移曲线的位移曲线的斜斜率也在改率也在改 变。变。 Newton- Raphson方法求解非线性问题方法求解非线性问题 Newton- Raphson 法迭代求解使用下列方程: KTu = Fa -Fnr 这里: KT= 切向刚度矩阵 u= 位移增量 Fa = 施加的载荷矢量 Fnr = 内力矢量 通过多次迭代最终达到收敛 。 Fa u 1 2 3 4 KT Newton- Raphson方法求解非线性问题方法求解非线性问题 F u F u F u 全 Newton- Raphson 在每一迭代步重新形成 KT 。 修正 只在每一子步形成KT
13、。 初始刚度 每一迭代步都使用初始 的弹性刚度。 求解非线性问题的重要概念 时间步长(时间步长(或或载荷步)载荷步) 收敛准收敛准则则 收敛收敛 收 敛收 敛 Fa u1 Newton- Raphson 迭代如下所示。基于 u0时的结构构形,计算出的 切向刚度是KT,基于F 计算出的位移增量是u ,结构构形更新为 u1。 Fnr u 在更新的构形中计算出内力( 单元力) 。 迭代中的Newton- Raphson 不平衡量是: R = Fa-FnrF u0 位移位移 载荷载荷 R KT 收 敛收 敛 Newton- Raphson不平衡量 (Fa-Fnr) 实际上从未真正等于零。 当不平衡量小
14、到误差允许范围内时,可中止Newton- Raphson 迭代,得到平衡解。 在数学上,当不平衡量的范数|Fa -Fnr|小于指定容限乘以参 考力的值时就认为得到收敛。 物理问题 f = f(x,t) 显式有限元方法 采用Finite element 方法 网格 变分或加权 离散、分离变量,即先 对空间x离散 网格+时间步长 再对时间 t 离散 构造 时间推进格式 给定初始条件 隐式程序 显式程序 多种方案 多种方案 在空间离散单元与隐式相同 时间推进采用显式中心差分格式 只能求解时间相关问题 有条件稳定:即时间步长要小于临界时间步长 显式求解 PUNCH DIE BLANK STATICQU
15、ASI STATICDYNAMIC Structural ProblemsMetal FormingImpact Problems F = 0 F 0 F = ma IMPLICIT METHOD EXPLICIT METHOD 显式与隐式方法对比 v 显式与隐式方法对比 隐式时间积分: 在 t+t时计算位移和平均加速度: 线性问题: 当 K是线性时,无条件稳定 可以用大的时间步 非线性问题: 通过一系列线性逼近 (Newton- Raphson)来获取解 要求刚度矩阵 K求逆 收敛需要小的时间步 对于高度非线性问题需要较小的时间步长保证收敛 a tt 1 tt FKu + + = 显式与隐式
16、方法对比 显式时间积分 用中心差分法在时间 t 求加速度: Ftext 为施加外力和体力矢量, Ftint 为下式决定的内力矢量: Fhg为沙漏阻力 ;Fcont为接触力. 速度与位移用下式得到: () int t ext t 1 t FFMa= contacthg n T FFdBF+ += int tttttt tavv+= +2/2/ 2/2/ttttttt tvuu + += 式中tt+t/2=.5(tt+ tt+ t) ; tt-t/2=.5(tt-tt+ t) 显式时间积分: 新的几何构形由初始构形加上 xo获得: 显式与隐式方法对比 非线性问题: 块质量矩阵需要简单转置 方程非耦
17、合,可以直接求解 (显式) 无须刚度矩阵求逆,所有非线性(包括接触) 都包含在内力矢量中。 内力计算是主要的计算部分 无须收敛检查 为保持收敛有时需要很小的时间步长 ttott uxx + += tt crit = 2 max 稳定条件 隐式时间积分 对于线性问题,时间步可以任意 大(无条件稳定); 对于非线性问题,时间步由于收 敛困难变小。 显式时间积分 当时间步小于临界时间步时稳定 当max= 最大自然角频率 由于时间步小,显式分析仅仅对 瞬态问题有效 杆件的临界时间步长 自然频率: 临界时间步长: Courant- Friedrichs- Levy准则 t 为波传播杆长 l需要的时间 l
18、 c =2 max E c= c l t= 临界时间步长 在计算所需时间步时检查所有单元. 为达到稳定采用一个比例因子(缺省 为0.9)调节: 特征长度 l 和波速 c 取决于单元类型: c l t9 . 0= E c=elementtheoflength=l )-1( E )LL(Lmax A2 )LLL(Lmax A 2 3214321 c= , l=shells: triangular for , , l= L1 L4 L3 L2 A 壳单元: 梁单元: 积分时间步长 非非线线性性求求解解的的经经验验指导指导 分析过程中各环节的注意事项 建模 材料 接触 加载 求解 模型出现问题的如何D
19、EBUG 常用的单位制 建建立模型立模型 注意模型规模能支付的代价和需要的精度; 禁止将不理解的定义存在于模型中; 重视测试的重要性; 重视经验的积累; 大变形模型中的单元尺寸要够密,尽量不使用退化单 元(尽管程序都支持)容易导致精度降低; 注意四边形壳单元的翘曲; 显式求解模型中,无论何时都要尽可能的避免小单元 , 因为它们将极大的降低时间步长。如果需要小单元, 使 用质量缩放来增加极限时间步长; 单点积分单元的沙漏控制; 单 元单 元 材料模式材料模式 确保使用了协调单位,不正确的单位将错误决定材料的响应甚至求解崩溃 ; 确保模型中使用的材料数据是精确的. 大多数非线性动力学问题的精度取
20、决于输入材料数据的质量。多花点时间以得到和积累精确的材料数据; 对所给模型选择最合适的材料模型. 如果不能确定某个零件的物理响应是 否应该包含某个特殊特性 (例如:应变率效应), 定义一种包含所有可能特点 的材料模型; 应力应变曲线要覆盖了最大应变; 大变形问题采用真实应力应变量度; 复杂多向加载应考虑包兴格效应;如板成形问题; 接 触接 触 在两个接触面之间不允许有初始接触. 确保在定义接触的地方模型没有任 何重叠; 总是使用真实的材料特性和壳厚度值; 如果摩擦不重要,则不输入摩擦系数; 对壳单元,除非需要接触力否则使用自动接触; 在求解之前列出所定义的接触面以保证定义了合适的接触; 无质量
21、节点不能参与接触计算,会导致程序崩溃; 通过接触界面定义birthdeath时间减少CPU时间; 加 载加 载 非线性分析中,控制时间步长(载荷步)的技巧将有利于减少CPU时间 ; 时间函数的时间必须覆盖求解的终止时间; 求解前必须Check所有约束和载荷; 求解求解 使用ATS和时间步长多次细分方法,通常最终可以获得结果; 有接触问题,在接触发生时段定义较小的时间步长; ADINA求解时占用的内存包括两部分:基本矩阵存储部分求解 器部分;求解器部分可以自动分配内存; 模型模型DEBUG 如果模型没有正常求解就退出,参件Jobname.out和Jobname.msg文件中 的信息;前者记录求解
22、过程的所有内容; 如果程序正常求解完毕,不要认为EVERYTHING IS OK,用后处理将所 有结果审查一遍; 如果经过多次检查, 始终有一个错误(问题)存在,设计一个简单模型专门 测试这个问题。 或者, 将大模型中的部分删除,剩余的东西要表达这个问 题,然后继续测试; 如果实在找不出问题所在: 1 让ADINA工程师解决 2 是程序的BUG,转告ADINA中国工程师。 ADINA中中的单位制的单位制 自自协调协调 建议使用的单位系统 MassLengthTimeForceStressEnergy (steel)E (steel) kg kg kg kg kg gm gm gm gm ton
23、 lbf- s2/in slug m cm cm cm mm cm cm mm mm mm in ft s s ms s ms s s s ms s s s N 1e- 02 N 1e+04 N 1e+10 N kN dyne 1e+07 N 1e- 06 N N N lbf lbf Pa GPa dyne/cm2 Mbar MPa psi psf Joule kN- mm erg 1e7N cm N- mm N- mm lbf- in lbf- ft 7.83e+03 7.83e- 03 7.83e- 03 7.83e- 03 7.83e- 03 7.83e- 03 7.83e- 06 7.83e+00 7.83e+00 7.83e- 09 7.32e- 04 1.52e+01 2.07e+11 2.07e+11 2.07e+09 2.07e+03 2.07e- 03 2.07e+02 2.07e+12 2.07e+00 2.07e- 06 2.07e+05 3.00e+07 4.32e+09 ADINAF使用使用 控制控制体积体积 有限单元有限单元 材料参材料参数数 流流动动模型模型 边界条件边界条件 自由自由表表面面 练习练习