"Abaqus/Explicit" 中的准静态分析与提高求解速度策略详解

在复杂的工程分析中，尤其是涉及接触、金属成型等几何巨变与非线性问题时，传统的`Abaqus/Standard`方法可能由于涉及到大量迭代而难以收敛，消耗大量的计算资源。因此，适时地采用`Abaqus/Explicit`方法进行准静态分析，以通过提高加载速率和应用质量缩放等策略，有效执行计算，提高效率成为了一种常见的解决策略。

准静态分析概述

重磁分析和`Abaqus/Standard`中可以解决的大部分准静态问题，通常要求较长时间来模拟整个过程。在现实工况下这一时间跨度可能长达数百万个时间步。为获取经济、合理的分析结果，实际的解决问题中采用了一种方式：人为地加速模拟过程，这一策略即为人称的'增加加载速率'和'质量缩放'。

增加加载速率：通过提升加载速率来实质上缩短时间尺度，相同的分析达到了更快速的完成，有效的分析速度（按照 rates 的倍数提升）随着加载速率增长率的直接关系。

质量缩放：其作用在于提高稳定时间增量的大小，人为将材料密度（即质量）增加 \(f^2\) 倍，有效达到分析速度 \(f\) 倍的提升，进一步优化计算效率。

判断加载速率




决定加载速率是否恰当，通常是通过如下方式：

1. 多次运行模拟：以近乎从最快速到最慢速的顺序运行一系列模拟，分析每种加载速率对应的结果。优化点在于通过比较结果的差异，确定合适的速率下，模型的响应在可接受范围内。

2. 利用固有频率检查：首要的响应为模型的第一结构模态频率。从频率（f）中计算出运行此频率匹配的时间（T = 1/f），然后计算在规定时间内预测的全球偏移量（D），其冲击速度（V = D/T）。确保冲击速度不大于材料波速的1%，保持在原本速度范围的可接受范围内。

示例：门梁入侵测试

考虑一个静态测试模型——车门中侧防盗梁的变形。这里，利用`Abaqus/Explicit`方式对正20m/s与400m/s速度下刚性圆柱体的动效进行模拟和评估：

1. 计算频率：第一模态频率约为250 Hz（即 f = 250）。

2. 对应时间：以 20m/s速度运行时得出，整个计算需要 4ms的时间（即\(T = \frac{1}{250} = 0.004s\)），实际偏移为 0.1单位。因此，冲击速度为 \(V = \frac{0.08}{0.004} = 20m/s\)。

3. 验证结果：依据金属波速约为5000 m/s，25 m/s的冲击速度仅为波速的0.5%，远低于警告线。而使用400m/s时预测波速将达到4%，这种改变通常超出工程基础，是不被采纳的值。