作者j6zoz04 (RTOO)
看板Cad_Cae
標題[請益] ANSYS發散原因確認
時間Thu Dec 23 21:30:05 2021
各位好，想請問在使用ANSYS Static Structure分析時，能否得知發散的結果是因為
剛體運動而導致還是非線性收斂問題導致?
舉例子:
https://imgur.com/9xQVNC1
https://imgur.com/9uixa3P
給定一個力推動這個物體，給定摩擦係數
假設今天我想知道多大的摩擦係數能使此物體被推動，因為在靜態分析下物體發生運動
會發散掉，但是也有可能是物體和地面的接觸非線性設置不良(載荷步分不夠細、網格、
接觸剛度設定過大....)
想知道有沒有什麼方法能確定發散一定是剛體運動所導致的?
像是產生剛體運動會有一定會出現的Error訊息?
當然第一個例子是可以手算解的就是，想以不手算的情況下用ANSYS解
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 163.13.136.41 (臺灣)
※ 文章網址: https://webptt.com/m.aspx?n=bbs/Cad_Cae/M.1640266210.A.085.html
※ 編輯: j6zoz04 (163.13.136.41 臺灣), 12/23/2021 21:32:06
※ 編輯: j6zoz04 (163.13.136.41 臺灣), 12/23/2021 21:33:01
1F：推 gamer: 用模態分析看有沒有很小的共振頻率 12/23 22:03
2F：→ j6zoz04: 對振動、模態較不熟，印象中是是運動方程式的特徵根頻率? 12/24 01:21
3F：→ j6zoz04: 想請問模態跟剛體運動有什麼關係? 12/24 01:22
4F：→ j6zoz04: 稍微了解過了，但是似乎在Modal模組中不能有非線性的行為 12/24 17:50
5F：→ j6zoz04: (摩擦接觸)，它會自動轉成線性(以接觸為例就是bonded或no 12/24 17:50
6F：→ j6zoz04: separation)，這樣就和原來不一樣了 12/24 17:50
7F：→ j6zoz04: 模態可以檢查約束是否足夠，但好像無法檢查摩擦力是否足 12/24 21:21
8F：→ j6zoz04: 夠 12/24 21:21
9F：推 gamer: 摩擦力沒辦法用modal analysis檢查，如果是擔心摩擦力不足 12/24 22:21
10F：→ gamer: 可以把接觸模型的切線方向改為rough，如果還是無法求解就是 12/24 22:22
11F：→ gamer: 接觸力平衡的問題 12/24 22:22
12F：→ j6zoz04: 我是想設摩擦係數是變數，看看隨著摩擦係數的增減來看是 12/24 23:04
13F：→ j6zoz04: 否會產生剛體位移 12/24 23:04
14F：→ j6zoz04: 設成rough只能檢查摩擦係數無限大的情形了 12/24 23:05
15F：推 gamer: 哪建議使用動態求解 12/25 01:13
16F：→ j6zoz04: 想請問建議哪個模組？ 動態的不熟 12/25 01:22
17F：推 gamer: transient structure 12/25 01:26
18F：→ gamer: 或是explicit dynamics 12/25 01:27
19F：→ gamer: 如果只有static模組可以用，用一種方式是加weak spring 12/25 01:29
20F：→ j6zoz04: 打開weak spring好像不管有沒有運動他都會跳出可能有施加 12/25 17:06
21F：→ j6zoz04: weak spring的警告(..May be uncontrained) 12/25 17:08
22F：→ j6zoz04: 可能僅靠摩擦力constrain他無法偵測 12/25 17:09
23F：推 jienfong: 其實這個題目比較適合用剛體運動模組來算，不用有限元 12/25 18:32
24F：→ jienfong: 素，類似adams或CAD軟體很多現在也有 12/25 18:32
25F：→ jienfong: pro/e(mechanism) 12/25 18:33
26F：推 jienfong: 有線元素算剛體運動問題CP值太低，強項不是這個 12/25 18:38
27F：推 gamer: 原PO應該是想解一般的彈性力學問題，但會遇上不收斂卻不知 12/25 20:11
28F：→ gamer: 道該設多大的摩擦係數才能解出來。 12/25 20:12
29F：→ gamer: 加weak spring主要是可以解決因為剛體運動導致發散，你可以 12/25 20:14
30F：→ gamer: 看模型的外加能量跟內能的比例來判斷模型是否有剛體運動 12/25 20:15
31F：→ j6zoz04: 加weak spring能夠保證不產生剛體運動嗎? 不好意思不懂 12/25 20:25
32F：→ j6zoz04: 外能內能，是指外力做功? 這些要從哪看呢? 12/25 20:25
33F：推 jienfong: 就是靜態題目很難算會剛體運動的問題，要加一些邊界來 12/25 21:07
34F：→ jienfong: 避免，或是要選擇擬靜態(implicit dynamic)來算，也可以 12/25 21:07
35F：→ jienfong: 說是動態 12/25 21:07
36F：推 jienfong: 剛碰觸有限元素題目確實容易造成靜態或動態問題的困擾， 12/25 21:19
37F：→ jienfong: 靜態問題也可以用動態求解，動態問題也可以用就靜態解， 12/25 21:19
38F：→ jienfong: 但是不是適合在於求解題目和假設條件 12/25 21:19
39F：→ j6zoz04: 有看了些隱式的算法(Namark積分)，它可以解動態，但對於 12/25 21:33
40F：→ j6zoz04: 剛體運動(物體會跑到無限遠)的問題它是否可解我有點懷疑 12/25 21:34
41F：→ j6zoz04: ，有接觸(非線性行為)的問題似乎時間增量也會影響收斂與 12/25 21:35
42F：→ j6zoz04: 否。怕產生更多問題才想使用靜態看能不能解 12/25 21:36
43F：→ j6zoz04: 看來似乎沒那麼容易... 12/25 21:38
44F：推 jienfong: 這也是有限元素門檻，定義問題和決定求解方式 12/25 21:43
45F：推 gamer: 這邊要訂正一下，擬靜態(Quasi-static)指的是用動態來解靜 12/25 22:55
46F：→ gamer: 態問題，求解法可以是implicit也可以是explicit。然後理論 12/25 22:56
47F：→ gamer: 上implicit本來就可以直接求解governing eq.所以當然可以 12/25 22:57
48F：→ gamer: 解動態問題，只是不容易收斂而已。相比之下explicit因為是 12/25 22:58
49F：→ gamer: 微分法，所以比較沒有收斂的問題，才會比較常用來解暫態的 12/25 22:58
50F：→ gamer: 動態問題。 12/25 22:58
51F：→ gamer: weak spring因為是求解器額外加入的勁度，會產生Artificial 12/25 23:01
52F：→ gamer: energy，當這個能量越大，代表求解器加入越大的勁度來抵抗 12/25 23:01
53F：→ gamer: rigidbody motion，也就是摩擦力不足達成靜力平衡的意思。 12/25 23:02
54F：推 jienfong: 讚，長知識，我真的很常用Quasi來算implicit問題,也用im 12/26 00:36
55F：→ jienfong: plicit來算長時間的transient問題(超過80ms) 12/26 00:36
56F：→ j6zoz04: 感謝，Artificial energy是從solution那邊insert嗎? 12/26 01:22
57F：→ j6zoz04: weak spring的剛度我是program control，能量的大小要怎 12/26 01:23
58F：→ j6zoz04: 麼衡量呢? 12/26 01:23
59F：→ j6zoz04: weak spring一定能阻止剛體運動嗎？ 12/26 03:00
60F：推 jienfong: 你看可不可以請g大幫忙設定ansys模型，因為有時候說的 12/26 09:30
61F：→ jienfong: 方法不一定可以配合軟體設定但一定有變通方式 12/26 09:30
62F：推 gamer: 很抱歉，我手邊沒有ANSYS，我轉成ABAQUS使用者有一段時間了 12/26 15:14
63F：→ gamer: ，雖然我以前是用ANSYS。你可能要查一下help，通常enery是 12/26 15:14
64F：→ gamer: 在後處理裡面可以輸出，可以選擇輸出內能、人造能和總能， 12/26 15:14
65F：→ gamer: 然後看比例是多少。至於weak spring是不是一定能解決剛體運 12/26 15:14
66F：→ gamer: 動，我記得他有一個ratio，這個增加的勁度是由這個ratio控 12/26 15:14
67F：→ gamer: 制，所以如果外力超過這個spring能提供的反力，一樣是不能 12/26 15:14
68F：→ gamer: 收斂。 12/26 15:14
69F：推 jienfong: 我也是abaqus使用者，原po可能自己要依照建議試試看吧… 12/26 18:03
70F：→ jienfong: 數值方法和解析解會有差異正常，但要能解釋，數值問題通 12/26 18:03
71F：→ jienfong: 常要工程問題考慮進來但這和解析解數學問題並不太一樣 12/26 18:03
72F：推 jienfong: 所以要把課本的題目用數值方法解當然可以，但有些邊界 12/26 18:08
73F：→ jienfong: 條件要合理假設，才有辦法把數值逼近解接近數學解析解 12/26 18:08
74F：→ j6zoz04: 謝謝，我有時間在細讀隱式和顯式，我看了mechanical user 12/26 21:16
75F：→ j6zoz04: guide沒看到關於weak spring能量的東西，但網路上有查到 12/26 21:16
76F：→ j6zoz04: 接觸可以設定阻尼，功能類似weak spring，不知道您說的是 12/26 21:16
77F：→ j6zoz04: 不是這個 12/26 21:16
78F：推 gamer: contact damping應該適用在normal方向幫助收斂，對摩擦力 12/27 00:11
79F：→ gamer: 應該沒有幫助。如果真的找不到輸出能量的方式，可以自己建 12/27 00:12
80F：→ gamer: 一個1D-的spring元素，並觀察該元素的位移，就能知道大概 12/27 00:13
81F：→ gamer: 需要多少外力的輔助才能達成靜力平衡。 12/27 00:13
82F：推 samuely: 我覺得問題的順序有點怪，解剛體運動跟設摩擦係數應該是 01/14 10:28
83F：→ samuely: 兩件事情，會需要解剛體運動的問題都是他本身不該有剛體 01/14 10:29
84F：→ samuely: 運動的情況，而不是在本來的運動模型就有剛體運動時， 01/14 10:29
85F：→ samuely: 強迫使他變成沒有，主要的原因還是靜態求解沒有質量項， 01/14 10:30
86F：→ samuely: 所以只要有一點點力不平衡就會產生無窮大的位移。 01/14 10:30
87F：→ samuely: 建議您在詳細描述您的目的是甚麼會比較好去給建議 01/14 10:31
88F：→ samuely: 順帶一提 摩擦力接觸在線性動力學裡面會自動轉成BONDED 01/14 10:35
89F：→ samuely: (or Tie 各家軟體名稱不同) 01/14 10:35
90F：→ j6zoz04: 回s大，我主要想了解摩擦力和我施加的外力不平衡時，所對 01/14 12:15
91F：→ j6zoz04: 應的摩擦係數的大小。根據我閱讀的文獻，物體與接觸面在 01/14 12:16
92F：→ j6zoz04: 完全滑動前先是會有部分區域的滑動(sliding)，當我外力 01/14 12:19
93F：→ j6zoz04: 逐漸再加大(或是摩擦力再更小)，則整個接觸面所有區域便 01/14 12:20
94F：→ j6zoz04: 會變成所有區域皆為滑動，而ANSYS可以顯示有哪些節點處於 01/14 12:22
95F：→ j6zoz04: 滑動(sliding)，哪些節點處於未滑動(sticking)，所以才想 01/14 12:23
96F：→ j6zoz04: 用ANSYS解。 01/14 12:24
97F：→ j6zoz04: 第一個圖應該比較好理解，第二個圖可以想成兩個不平行的 01/14 12:25
98F：→ j6zoz04: 夾子夾住一個圓形的物體，而摩擦係數的多寡、力的大小、 01/14 12:26
99F：→ j6zoz04: 夾子偏轉的角度是否影響圓形物體會不會整個滑掉，我主要 01/14 12:27
100F：→ j6zoz04: 想觀察這個。 01/14 12:27
101F：→ j6zoz04: 另外想請問線性動力學的"線性"是指什麼關係的線性? 所對 01/14 12:28
102F：→ j6zoz04: 應的ANSYS的模組又是哪一個? 怕之後會錯用模組。 01/14 12:29
103F：→ j6zoz04: 主要是想做第二個例子，想在靜態解是因為不希望考慮到質 01/14 12:36
104F：→ j6zoz04: 量的問題，變數維持在摩擦係數、外力大小、角度。 01/14 12:38
105F：推 samuely: 先回應您第二個問題，所有有限元的振動模組，包含 01/14 16:23
106F：→ samuely: Harmonic, random vibration, spectrum都是線性動力學 01/14 16:23
107F：→ samuely: 裡面的幾何 材料 接觸 都必須維持線性條件才行，即使 01/14 16:24
108F：→ samuely: 你在某些軟體有輸入非線性性質，他也必須轉為線性，否則 01/14 16:24
109F：→ samuely: 會與理論衝突。 01/14 16:24
110F：推 samuely: 至於第一點，但這種情況下，摩擦係數應該是在介面材料決 01/14 16:31
111F：→ samuely: 定後就確定了才對，感覺上部分滑動部分無滑動的變數應該 01/14 16:32
112F：→ samuely: 是正向力的差異，但或許我有誤會您的意思。 01/14 16:32
113F：→ j6zoz04: 材料部分是希望讓夾子部分非常硬(可E為圓形物件的100倍) 01/14 19:23
114F：→ j6zoz04: 至於圓形物件是什麼材料，我這題是從一些書上範例衍伸過 01/14 19:24
115F：→ j6zoz04: 來的， 01/14 19:24
116F：→ j6zoz04: 但題目無提供摩擦係數，我就自己設定了，或許這樣不太實 01/14 19:32
117F：→ j6zoz04: 。圓形物件的E為書上提供。 01/14 19:33
118F：→ j6zoz04: 因為我沒設重力，正向力主要是由外力F及偏轉角度來決定。 01/14 19:36
119F：→ j6zoz04: 但摩擦力的大小除了正向力也會受到摩擦係數的影響，所以 01/14 19:37
120F：→ j6zoz04: 想先以外力、角度、摩擦係數作為變數去試，目前是想先固 01/14 19:38
121F：→ j6zoz04: 定外力及角度，僅以摩擦係數作為變數來去分析。 01/14 19:39
122F：推 samuely: 所以您是想在其他邊界條件固定的情況下，決定要多大的摩 01/14 22:15
123F：→ samuely: 擦係數才會達到“靜力”平衡嗎？ 01/14 22:15
124F：→ j6zoz04: 是的。我s大猜您說的邊界指的是角度、外力。 01/14 22:50
125F：推 samuely: 其實這件事是不存在的，實際物理上靜摩擦力並非正向力袤R 01/15 00:34
126F：推 samuely: 乘上靜摩擦係數，而是等於外力，跟靜摩擦係數有關的是最 01/15 01:07
127F：推 samuely: 大靜摩擦力才對，但有限元軟體無法完整呈現這情況。建議 01/15 01:08
128F：→ samuely: 您直接設成rough即可 01/15 01:08
129F：→ j6zoz04: 我試著畫FBD，似乎在Mz無法平衡，可能我漏掉了什麼 01/15 09:32
131F：→ j6zoz04: 之前有試著跑跑看分析，發現摩擦係數的大小確實會影響發 01/15 09:44
132F：→ j6zoz04: 散與否。 01/15 09:45
133F：→ j6zoz04: 回s大，但我可以試著用摩擦係數去決定最大靜摩擦力的大小 01/15 10:09
134F：→ j6zoz04: 來去確定我至少需要多少的摩擦係數才能平衡，這樣軟體做 01/15 10:10
135F：→ j6zoz04: 不到嗎? 01/15 10:10
136F：推 gamer: 圓球不會平衡沒錯啊。無滑動的狀況會變成純滾動。 01/15 20:21
137F：→ gamer: 你的條件並不是一個靜力平衡的問題，跟摩擦係數無關。 01/15 20:22
138F：推 samuely: 樓上g大正解，而且你這就算平衡了在靜力分析下還是沒解 01/16 09:02
139F：→ j6zoz04: 感謝兩位，所以只要有角度，這顆球要嘛 1.純滾動 2.滾動+ 01/16 14:59
140F：→ j6zoz04: 滑動 01/16 14:59
141F：→ j6zoz04: 永遠無法平衡？ 01/16 15:00
142F：推 gamer: 這是很基礎的滾動問題，你可以翻一下動力學課本 01/16 15:03
143F：→ gamer: 點接觸的情況下，力學上不會靜力平衡。 01/16 15:04
144F：→ gamer: 這個問題要能夠靜力平衡，要把接觸位置從一個點變成一個小 01/16 15:06
145F：→ gamer: 面，然後要考慮重力，重力大到某個程度時，重力的力矩能夠 01/16 15:07
146F：→ gamer: 抵抗推力的力矩就會平衡。 01/16 15:07
147F：→ j6zoz04: 據我所知球會與夾子產生一個很小的接觸區域，但這樣還能 01/16 15:08
148F：→ j6zoz04: 算是點接觸嗎? 01/16 15:08
149F：→ j6zoz04: 若不考慮重力，這個微小的接觸面如力的分布不是對稱的 01/16 15:11
150F：推 gamer: 你用庫摩擦倫模型，他就是假設點接觸。 01/16 15:11
151F：→ j6zoz04: 是否有可能讓力矩平衡掉? 01/16 15:11
152F：→ gamer: 如果要考慮接觸面積(真實摩擦系統)，要用特殊的摩擦模型去 01/16 15:12
153F：→ j6zoz04: 了解，難怪之前所學的摩擦是不考慮接觸面積的 01/16 15:15
154F：→ j6zoz04: 印象中ANSYS是使用類似庫倫摩擦去近似庫倫摩擦。 01/16 15:16
155F：→ j6zoz04: 有什麼辦法能使用g大您說的 真實摩擦系統 嗎? 01/16 15:17
156F：推 gamer: 這部分我不清楚，可以找做輪胎摩擦力相關的文獻看看 01/16 15:38
157F：→ j6zoz04: 了解，表面profile以及接觸面積不在庫倫摩擦的考量內。 01/16 15:48
158F：→ samuely: 我發現我前面的留言後段沒跑出來XD 01/17 10:58
159F：→ samuely: 我是要說這題就算你真的打到靜力平衡了，在有限元靜態分 01/17 10:59
160F：→ samuely: 析中，還是會產生剛體運動。必須給上適當的位移constrain 01/17 10:59
161F：→ j6zoz04: 您是指有限元計算上會有捨入誤差導致合力無法=0嗎? 01/17 15:59
162F：推 samuely: 數值分析本來就沒有真正的相等，你又是用靜態分析(0質量) 01/17 17:15
163F：→ samuely: 所以只要有一點點殘力就可以飛到無窮遠 01/17 17:16
164F：推 target8917: 很久沒看到技術方面討論的如此熱烈 讚讚 01/28 16:53