關於時間步長

時間步長大小對計算時間和分析結果的影響:

在Explicit顯式分析中,會依照模型的最小元素尺寸,作為"Time Step時間步長"的最小標準,來穩定整個計算過程,所以要注意雖檔案轉換之間,"單位"是否確認無誤。

但是常規分析中,使用最小的時間步長計算時,除了會增加硬體成本和計算時間外,對於得出的結果可能也差距不大。

因此為了降低硬體成版和計算時間,除了針對出現最小時間步長的元素進行修改外,另一種方法是使用"Mass Scaling質量縮放"的方式來增加每個周期的時間步長。

Mass Scaling質量縮放說明:

mass scaling是指為了在顯式分析中達到增加時間步長的目的,而將非物理質量加到結構的技術。

任何時候在動態分析時,為了增加時間步長而加入非物理質量而影響到結果(F=m×a),有時候影響是不大的,且在那些案例中加入非物理質量是合理的。

最後,Mass Scaling為了分析"維持"在合理情況下穩定時間步長,進而讓計算時間變短時所附加效應而不用來加速,這樣會造成計算不穩定外,結果也不準確

*CONTROL_TIMESTEP字卡的DT2MS設定方式:

“-”號代表質量會增加到那些時間步長小於TSSFAC×|DT2MS|的元素上。當mass scaling適當時,推薦這個方法。

“+”代表元素會被加入或拿走質量,去達到每個元素的時間步長是相等的。這個方法不比使用-DT2MS更有優勢,且它也比較難合理化。

在*control_timestep的MS1ST,只有在初始化期間(MS1ST=1)或任何時候有需要透過DT2MS維持指定所需的時間步長(MS1ST=0)時,控制是否增加質量。

在增加一定的質量後(只有在automatic mass scaling啟動時),可以用*control_termination的endmas去阻止計算。

使用質量縮放的方法:

1.增加質量(CMS):使用"Conventional Mass Scaling常規方式"增加較小或是剛性元素的質量,可防止出現非常小的時間步長,建議使用此方法時,增加在"Low Frequancy Modes低頻率模型",因為在增加質量後會影響到"模型的特徵頻率",避免結果的非物理慣性效應主導了整體結果

2.數值設定(SMS):開啟*CONTROL_TIMESTEP字卡中的IMSCL欄位,啟動Mass Scaling後,才能啟動SMS,而SMS不會對剛體作用,所以結果會更加準確,且由於內存和CPU密集,因此僅適用於小型精細的網格零件。

使用者選擇零件(Part Set ID),進行Selective Mass Scaling的動作(也就是對被選擇的零件,依Frequancy Modes做更準確的Mass Scaling)。

3.數值設定(SMS):開啟*CONTROL_TIMESTEP字卡中的DT2MS欄位,啟動Mass Scaled Solutions的Time Step,其中GT0.0為了準靜態分析或在慣性的影響不重要時的time history分析,而LT0.0為TSSFAC×|DT2MS|是可允許timestep的最小值,當增加的質量不重要時,這個選項可以用在暫態分析。

4.數值設定(SMS):開啟*CONTROL_TIMESTEP字卡中的TSSFAC欄位,計算Time Step的Scale Factor,其中預設值為0.9;如果使用高爆炸物,預設值會降至0.67如果穩定性的問題在於TSSFAC的預設值0.9,試試看改成0.8或0.7如果減少TSSFAC,可以依比例增加DT2MS,而Time Step就不用改變。

質量縮放設定數值

可以先使用一個均質的元素,像是Element Size=1的方塊,然後進行簡單的碰撞,接著在計算完後,開啟Message或D3hsp文件,查看Time Step的相關訊息,可得知合理時間步長。

但是實際模型裡會有不可預期的小元素,不過不是要關注的對象,是可以直接乎略的。

例如材料模型配合0.8mm Element Size的方塊,所得出的合理時間步長為1e-8,但使用在實際的模型後,得出的合理時間步長為1e-9,代表該模型內可能有數個元素Element Size小於0.8mm。

這時可以決定要不要修改最小時間步長的模型,若不想修改,可以設時間步長為0.7e-8,這樣就可以保證在0.56mm以上的元素都是準確合理的。

查看縮放質量資訊:

1.GLSTAT(ASCII):僅包含Conventional Mass Scaling增加的質量,也就是Low Frequency的部分

2.MATSUM(ASCII):包含Conventional Mass scaling和Selective Mass Scaling部分。

3.MATSUM(後處理):可以分別得到整個模型及個別零件的Added Mass和時間的關係圖

解決時間步長過小方法:

1.數值設定(時間步長):在*control_timestep字卡中,ERODE 說明忽略過小Time step元素計算的功能,其值設定0系統計算到最小Time step時終止,其值設定1系統會將達到最小Time step 的element元素直接失效,然後繼續計算。

2.數值設定(時間控制):在*CONTROL_TERMINATION字卡中,DTMIN說明Tsmin=Dtstart×DTMIN,藉由DTMIN控制Tsmin,而Dtstart初始步長是由材料Young's Modulus(E)、Density(RO)和Element長度(L)控制,其關係為Dtstart=TSSF×L/(sqrt(E/RO) ),若材料E過大時,須注意"Time Step是否合理",以免輸出過大的 Time Step造成跌代無法平衡收斂等問題,可以在Dtmin設定數值,這要分析開始時候,會計算出最小Dtstart,其值在Messag文件裡開始分析步前有說明dt值,接著在計算過程中,顯示最小時間步長的元素後停止計算。

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