ProeCreo有限元分析分析定義基礎（持續更新）

分析定義基礎

模組概述:

在此模組中，您將學習定義分析的基礎。

目標:

成功完成此模組後，您將能夠：

瞭解收斂方法。

瞭解線性靜態分析的基礎。

定義線性靜態分析。

選擇一個收斂方法。

概念: 收斂方法

收斂方法

多通道收斂方法（MPA）和單通道收斂方法（SPA）是在 Simulate 中使用的兩種方法。

多通道自適應收斂方法

多通道自適應收斂方法（MPA）是在 Simulate 中證明收斂的經典方法。它提供了最高精度和使用者控制，但是它耗費的資源和時間也最多。對於模型中的所有測量，它們的值都可以控制而且可以相對 p 環通道以圖形顯示。最大位移與 p 環通道的對比如圖 1 所示。

圖 1 - MPA 的最大位移相對於 p 環通道

在 MPA 中，Simulate 使用區域性和全域性誤差範數。在使用者選擇的所有誤差範數都已滿足後，Simulate 終止 p 環。在靜態分析時，這些可能是：

區域性位移、區域性應變能和全域性 RMS 應力。

區域性位移和區域性（元素）應變能。

要由使用者定義的測量。

如果從通道 n 到通道 n+1 所選數量的變化低於使用者定義的百分比，則滿足收斂條件。在 MPA 中，Simulate 自動報告全部測量收斂，無論測量是否選作收斂條件。

如果測量選擇用於收斂證明，則應至少選擇所有位移測量和應變能。始終不要只使用特殊關注的某一個測量，因為它在兩個通道中可能不會顯著變化，而 p 環將停止。如果還需要精確的應力結果則包括應力測量，例如最大和最小主應力以及 von Mises 應力。對於非常精確的應力結果，還可以包括應力分量測量。

如果沒有獲得收斂，使用者可以在後處理器中評估 p 級圖並標識高 p 級區域。如果這些位置不接近應力奇點，則區域性網路細化可以幫助在新的引擎執行中達到收斂。

單通道自適應收斂方法

單通道自適應（SPA）收斂演算法是 Simulate 中比較新的收斂方法。這是在結果精度、計算時間和資源之間折中的一個好方法。建議用於含有相似屬性材料的零件和裝配分析。如果裝配具有很高的區域性剛度差別，例如由於使用具有極大 E 模數差異的兩種材料，部分是柔軟的正交各向異性材料，或者是連線在鋼上的彈性體，則需要小心。在這種情況下，可能出現 p 級在該處只升高的情況，因此檢查 p 級圖。

SPA 使用單個 p 通道的結果，模型中的所有邊初始都設定為 3。應力使用全域性技術平滑。平滑應力也稱為超收斂，與原始應力或每個元素的各個點計算得到的應力直接進行比較以計算誤差。如果此 RMS 應力誤差超出公差（內部預設值為 8%），誤差的大小用於計算在元素中需要多少附加函式的預估值。利用元素中需要的函式數量，Simulate 確定每條邊多項式階的增加。因此對於高誤差元素，其邊的 p 階會從 3 跳至高達 9 階。

可以在“分析定義”對話方塊中更改最大 RMS 應力誤差目標的內部預設值。在“收斂”（Convergence）選項卡中，單擊“高階控制。。。”（Advanced Control。。。）。使用以下預設值：

靜態分析 - 8%

模態分析 - 16%

失穩分析 - 12%

如果最大應力誤差目標值過小，p 級在模型中的很多位置都會非常高並耗費大量資源。因此，還可以只在關注的模型區域中定義減小的區域性應力誤差。這樣，區域性應力誤差目標隻影響在選定幾何上至少有一個節點的所有元素。區域性應力誤差目標的預設值為 10%，與選擇的分析型別無關。對於特定位置，Simulate 始終使用更嚴格的收斂條件。

同 MPA 一樣，在 SPA 中 Simulate 自動報告所有測量值，但是不報告測量收斂。在預設情況下，可用的誤差資訊只有 RMS 應力誤差估算。如果使用附加的區域性應力誤差目標，則區域性應力誤差估算值也將被輸出到引擎 rpt 檔案中，它們是整個模型的最大值和選定元素的最大值，以 % 表示；此處區域性應力誤差估算是該元素的原始 RMS 應力誤差估算，按照該元素的應力進行歸一化。每個元素都有區域性應力誤差估算。整個模型的最大值列中的數字是模型中 RMS 應力誤差估算最高的元素值。選定元素的最大值列中的數字是與高階 SPA 收斂控制對話方塊中選擇的參考相接觸的元素中 RMS 應力誤差估算最高的元素值。

如果單獨執行 SPA 或 MPA 分析，可以在後處理器中透過單擊“分析”對話方塊的“輸出”選項卡上的“區域性應力誤差”（Local Stress Errors）來評估三種不同型別的應力誤差估算。它們是：

原始

按最大模型應力歸一化

按最大元素應力歸一化

模型檢查

快速檢查模型行為有兩種不同方法：

迅速檢查（QC） - 這不是收斂方法。Simulate 將所有 p 級設定為 3 並執行一個通道。輸出資訊以與 SPA 相同的方式傳送。

在 MPA 中將 p 級限制為 1 - 可將最大 p 級限制為 1 並只執行此通道。儘管在此情況下的結果質量很差以至於不應該解釋任何數字，但是這是檢查模型及其粗略位移/變形行為和約束/載荷檢查的非常快速的方法。

要獲得稍小一些的粗略位移行為或對可能的建模問題進行更好的檢查，也可以將最小和最大 p 級設定為 2，這樣分析時間仍然很短。

概念: 誤差範數

誤差範數

要更好地瞭解模擬收斂方法的工作原理，必須瞭解用於計算收斂的數量。收斂的詳細資訊將在引擎報告檔案中進行報告。透過認真地解釋這些值，您可以判斷結果的數值質量。

全域性 RMS 應力指數 - 全域性 RMS 應力指數是總（全域性）應變能的誤差平方根的估計，它是當前通道的應變能和精確應變能的差值，然後除以精確應變能。要估計精確的應變能，該引擎將外推三個連續通道的總應變能。這三個連續通道稱為通道一、通道二和通道三，其中通道三為最近的通道。假定該能量為高階多項式的漸近值（其稱為精確能量）。Simulate 透過這三點與指數函式擬合併外推以估算漸近值。如果通道三和通道二的差值與通道二和通道一的差值相比並不小於它，指數可能檢測到明顯的誤差。對於多個載荷集，該值為所有載荷集的最大值。如果大於 100% 的值在內部計算，則輸出總是限制為最大值 100%。全域性 RMS 應力為能量範數，而不是應力範數。已經表明模型總應變能等於全域性 RMS 應力。

區域性位移/能量指數 - 這些是收斂的區域性測量。引擎檢查每個元素的總應變能的百分比更改，和沿每個元素邊的位移或溫度中的百分比更改。

如果沿邊的位移從最後一個 p 通道更改太多，則邊的 p 階必須增加。

如果元素中的應變能從最後一個 p 通道更改太多，元素所有邊的 p 階必須增加。

在檢查所有元素和邊後，該引擎將區域性收斂指數設為遇到的最大值，因此該指數可參考邊位移或元素能量，這取決於哪個誤差更大。對於多個載荷集，該值為所有載荷集的最大值。

RMS 應力誤差估計 - 這是區域性應力誤差估算，不應與全域性 RMS 應力指數混淆，是指全域性應變能。在 SPA 和 SPA 中，它是沿一條邊的 RMS 應力誤差的模型中的所有邊的最大值。透過比較平滑的（超收斂）應力和非平滑的應力在沿一條邊的樣本點上估算應力誤差。該應力誤差排除了潛在奇點的區域（約束和凹角）。計算 RMS 應力誤差估算方式如下：

原始 - 以應力單位表示的每個元素的 RMS 應力誤差指示器。

由最大模型應力歸一化 - 模型（以 % 的形式）中的原始/最大應力。

由最大元素應力歸一化 - 元素（以 % 的形式）中的原始/最大應力。

σ 是從位移多項式的導數中計算出的應力。

σm是平滑的超收斂應力。

均方應力誤差是（σ - σm）2的邊的積分。

RMS 應力誤差是均方應力誤差的平方根。單個 RMS 應力誤差估算可以在後處理器中評估；最大值總是列印成 rpt 檔案。如果單擊“分析”（Analysis）對話方塊的“輸出”（Output）選項卡上的“區域性應力誤差”（Local Stress Errors），您會得到：

超收斂應力 - 要表示平滑的應力，Simulate 使用與用於位移功能相同的多項式功能。應力多項式的係數透過與每個元素內的各種樣本點上計算的應力擬合的最小平方找到。以這種方式，元素邊界上的原始或直接計算的應力的典型應力跳躍值或不連續應力將消失。以這種方式計算的平滑應力通常比非平滑應力收斂快。

圖 1 - 超收斂應力

概念: 線性靜態分析的基礎

線性靜態分析的基礎

靜態分析用於從不隨時間變化的載荷中分析變形、應力或應變。標準的線性靜態分析將載荷應用於未變形的結構並分析所產生的位移和應力。與整個結構尺寸相比，位移必須始終非常小，才能使分析型別保持有效狀態。

載荷集組載荷（例如力、力矩和壓力）同時作用於結構上。在約束集中，約束被分組。約束定義了結構相對於環境固定的位置或應用的強制位移位置。通常，必須選擇至少一個載荷和一個約束集以執行線性靜態分析，但存在以下例外情況：

如果定義了具有至少一個強制位移的約束集，則可以不需要載荷集。

如果選擇“慣性釋放”，則無法使用約束集。“慣性釋放”使外部施載入荷與由此施載入荷產生的結構的準靜態平移和/或旋轉加速相等。

僅線上性靜態分析中，可以使用載荷集的線性疊加原理。此處假定一個載入狀態與另一個載入狀態沒有相互作用。因此，如果兩個載荷集同時作用，產生的位移和應力只是兩個集的總和。使用者必須確定該原理是否對應用程式問題有效。如果沒有效，預應力或大變形靜態分析可能為備用選項。

在執行線性靜態分析前，需要考慮以下各項：

載荷集 - 如果有多個載荷集，以下選項可用：

如果選擇多個載荷集但未選中複選框“累計載荷集”（Sum Load Sets），引擎將分別求解每個載荷集並將每種情況的結果儲存在硬碟上。稍後，使用線性疊加原理在後處理器中分別評估或任意地組合並縮放每種載荷情況。

如果選中複選框“累計載荷集”（Sum Load Sets），則所有選定的載荷集由引擎組合並求解為一個同步集。然後，該後處理器只可訪問此載荷組合的結果。

約束集 - 約束集可由引擎組合並求解為一個結果集。與載荷集不同，每次分析只可求解一個約束集；後處理器中不可能存線上性疊加。在裝配中，可訪問子裝配和零件的約束集和載荷集以進行分析定義。

繪製柵格 - Simulate 將每個元素細分為更精細的繪製柵格以進行後處理。在繪製柵格的相交處，節點位於評估位移、應力和應變結果的位置。透過在元素中插值來計算繪製柵格節點的位移。對於 p 元素，位移是多項式函式，透過該函式 Simulate 在問題解決後得到係數，多項式用於插值。繪製柵格沒有定義分析精度，只定義結果顯示精度。通常，在元素尺寸（或模型中元素的數量）、元素型別（殼、尤其是梁結果顯示從更高的繪製柵格中獲益）、需要的分析精度、需要的結果顯示質量和要求的繪製柵格之間應該有一個平衡。繪製柵格可在“靜態分析定義”（Static Analysis Definition）對話方塊中的 2 和 10 之間調整。

圖 1 -“靜態分析定義”對話方塊

高繪製柵格會明顯增加計算時間和硬碟資源使用量。為此提供以下建議：

“繪製柵格”設定為等於 4 （預設值）：用於靜態分析中具有體積塊元素的模型（關注應力和標準精度要求）。

“繪製柵格”設定為等於 6：用於應力靜態分析中的殼/梁。

“繪製柵格”設定為等於 2：用於具有體積塊的模態分析（如果只有全域性模態振型，而不考慮模態應力）。此設定可節省資源。

慣性釋放 – 此選項可用於分析不受約束的模型。可將該選項僅用於線性靜態分析。使用該選項，Simulate 將分析您的模型，好像其正在空間中自由浮動而不受任何約束，只是應用了載荷一樣。

所需結果輸出數量 - 即使沒有要求結果輸出數量，Simulate 也總是分析位移並將其寫入硬碟中。或者，您也可以選擇：

應力 - 除位移外分析應力和應變。

旋轉 - 也輸出旋轉。此選項對體積塊元素沒有影響，因為它們不支援旋轉，但會影響理想化的有限元，例如殼、梁和彈簧。

反作用 - 如果選中複選框，Simulate 打印出 rpt 檔案中的所有施載入荷的合力總和。這是一個重要的選項，可檢查哪些載荷確實已施加，因而應該被用於確保分析的質量。不報告力矩平衡，只報告力平衡。

區域性應力誤差 - 在結果目錄中輸出不同的 RMS 應力誤差，如模組誤差範數中所述。

收斂方法 - 當 Simulate 執行您的模型時，可選擇以下收斂方法之一以供 Simulate 使用：

單通道自適應

多通道自適應

快速檢查（無收斂）

排除的元素 – 在分析期間，可將您的模型中的元素從收斂和測量計算中排除。

概念: 定義線性靜態分析

定義線性靜態分析

靜態分析用於從不隨時間變化的載荷中分析變形、應力或應變。標準線性靜態分析把外部載荷施加在未變形的結構上並分析所產生的位移。因此，相比整個結構尺寸位移必須始終非常小，這樣才能使分析型別保持有效狀態。

定義線性靜態分析需要執行以下步驟：

選擇分析型別並分配名稱 - 訪問“分析和設計研究”（Analyses and Design Studies）對話方塊並選擇圖 1 所示的分析型別。

圖 1 -“分析和設計研究”對話方塊

在圖 2 中的“靜態分析定義”（Static Analysis Definition）對話方塊中，為分析分配一個有意義的名稱。為提供更有用的參考資訊，請輸入說明。此說明將列印到 Simulate 引擎的 rpt 檔案中。

選擇約束和載荷集 - 在圖 2 的“靜態分析定義”（Static Analysis Definition）對話方塊中，從列表中選擇約束集和載荷集，並在必要時合併約束集或累計載荷集。

選擇收斂方法 - 使用 MPA 時，在 % 中輸入收斂值，定義最小和最大的多項式次數，並在圖 2 中的“靜態分析定義”（Static Analysis Definition）對話方塊中選擇收斂標準。

圖 2 -“靜態分析定義”對話方塊

定義輸出 - 始終計算並儲存位移。可根據需要分析應力、旋轉（不包括體積塊元素）和反作用（在模型的合成載入和約束上的力/力矩）。也可選擇“區域性應力誤差”（Local Stress Errors）以便在後處理器中獲得每個元素的 RMS 應力誤差資訊。定義合理的繪製網格。這可在“靜態分析定義”（Static Analysis Definition）對話方塊中的“輸出”（Output）選項卡中定義。

必要時可在圖 3 所示的“執行設定”對話方塊中檢查並調整執行設定。

圖 3 -“執行設定”對話方塊

對於輸出和臨時目錄，應始終使用本地硬碟驅動器。絕不要使用網路驅動器，因為要轉移的資料量會變得很大。

可以覆蓋預設的元素設定。

輸入合適的記憶體分配；在大部分情況下 512 MB 即可。

執行分析。

為了充分利用計算機資源和時間，可在 Simulate 中定義多個分析，它們可以來自不同的模型，然後在批執行中進行處理。在這種情況下，Simulate 在工作目錄中預設寫入名為 mecbatch。bat 的批處理檔案。然後，此批處理檔案在系統級上（例如，DOS-shell 或 C-shell）啟動。其還有其他優勢：Simulate 圖形使用者介面未執行，從而為求解器釋放了記憶體。此外，分析是連續執行的，每次使用一個引擎許可證，從而充分利用了 RAM。即使分析失敗，下一次分析也會自動啟動。

除了直接使用 Simulate 介面執行分析或稍後執行以外，Simulate 中一個新的增強功能還允許用 Creo Pro 分散式批處理應用程式來執行模擬分析。此應用程式允許您執行多種批處理操作，不僅在本地計算機也可在一些網路計算機上進行。因為無需任何使用者互動便可執行 Simulate 分析並且其計算精細，因此對於此類應用程式來說，它們是不錯的備選項。

用 Creo Pro 分佈批處理應用程式執行 Simulate 任務的優勢包括：安排任務在非高峰時段執行，使用空閒計算機處理，以及任務可以在後臺處理。此功能需要安裝 Creo 分佈批處理且需要獲得許可證才可使用。同時，還需要安裝 Creo 分散式服務管理器以在網路節點間分配任務。

概念: 推薦的記憶體分配

推薦的記憶體分配

對效能影響最大的是機器中的 RAM 量以及 Simulate 使用 RAM 的方式。在分析中使用的記憶體量取決於多種因素，包括模型的複雜性、所需的求解精度以及正在執行的分析或設計研究的型別。您可以透過觀察“執行狀況”（Run Status）對話方塊的“彙總”（Summary）選項卡底部的“最大記憶體使用量（千位元組）”（Maximum Memory Usage （kilobytes））檢視分析所用的總記憶體。

如果 Simulate 使用的最大記憶體加上作業系統和其他應用程式使用的記憶體超過機器中的 RAM 量，則作業系統會在 RAM 和硬碟間交換資料，從而嚴重降低應用程式的效能。為了達到最大效能，要確保最大記憶體使用量小於機器中的 RAM 量。

對於很大的模型，全域性剛度矩陣在分析過程中需要佔用大部分記憶體。您可以透過觀察“執行狀況”（Run Status）對話方塊的“檢查點”（Checkpoints）選項卡（也在研究目錄的。pas 檔案中）並檢視全域性矩陣配置檔案的大小，來了解全域性剛度矩陣的大小。

Simulate 使您可以透過設定“執行設定”（Run Settings）對話方塊的“求解器設定”（Solver Settings）區域中的“記憶體分配”（Memory Allocation）欄位來限制全域性剛度矩陣耗費的記憶體量。此記憶體分配設定稱為 solram。透過此設定，可以分配固定量的記憶體在其中儲存線性方程求解器隨時使用的全域性剛性矩陣片。如果全域性剛度矩陣太大而不能適合於 solram，則 Simulate 會使用比作業系統使用的一般交換演算法更有效的專用交換演算法，在磁碟和 RAM 之間往復交換矩陣部分。您需要足夠的交換空間來適應整個工作，並需要為結果和臨時檔案提供足夠的磁碟空間。日誌檔案。stt 監視使用情況。

以下是可以用於提高效能的一些建議和準則：

如果可能的話，退出其他應用程式，以使 Simulate 能夠使用盡可能多的記憶體。

也可以退出 Simulate。該分析在後臺繼續執行。可透過檢視。rpt 檔案來監視該進度。

請合理設定引擎的記憶體分配（solram）。

將 solram 設定得足夠低，以使 Simulate 使用的總記憶體小於 RAM 總量。為 Solram 設定的理想數量介於 RAM 的 25% 到 50% 之間。如果系統沒有執行其他任務，則將 solram 設定為可用 RAM 的 50%。

如果可能，將 solram 設定得足夠高，以使全域性剛性矩陣適合於 solram。

如果使用 32 位 Windows 作業系統，則任何一個應用程式可以使用的最大記憶體量是 3。2 GB。

Solram 當前限制為最大 16 GB。

影響效能的另一個主要因素是磁碟使用率。在分析過程中，Simulate 將所有結果寫入磁碟。Simulate 還暫時將分析中所需的中間資料儲存在磁碟上。以下準則有助於提高效能：

確保未使用安裝在網路上的任何驅動器。

使用含有大量空白空間的驅動器。

偶爾重組磁碟以便可以在大的連續塊中寫入和讀取資料。