Import wyników między analizami w Abaqus

Wprowadzenie

Technika importu (transferu wyników między analizami w Abaqus) jest niezwykle przydatna w wielu przypadkach. Polega ona na przenoszeniu zdeformowanej siatki i związanego z nią stanu materiału między analizami w Abaqus/Explicit i Abaqus/Standard. Umożliwia to więc mieszanie solverów - część analizy przeprowadza się w jednym solverze a część w drugim. Import można wykonywać wielokrotnie, więc przechodzenie między solverami może mieć miejsce kilka razy dla jednego przypadku. Oczywiście ideą zmiany solverów jest najczęściej wykorzystanie ich zalet – analizowanie zjawisk statycznych o słabszych nieliniowościach w Abaqus/Standard i zjawisk dynamicznych lub quasi-statycznych o silnych nieliniowościach w Abaqus/Explicit. Technika ta jest szczególnie często stosowana w symulacjach obróbki plastycznej (w tym do obliczeń odbicia sprężystego) i innych procesów związanych z wytwarzaniem, ale również np. w analizach opon i wirników, gdzie stan ustalony obrotu jest uzyskiwany w Abaqus/Standard. Celem może być również analiza drgań własnych lub wyboczenia liniowego na części po formowaniu w Abaqus/Explicit, doliczenie dodatkowych etapów formowania po fazie odbicia sprężystego (springback) czy zasymulowanie formowania po obróbce cieplnej liczonej w Abaqus/Standard.

Import może być też przeprowadzany między analizami w tym samym solverze (z jednej analizy w Abaqus/Standard do drugiej lub z jednej analizy w Abaqus/Explicit do drugiej). Może to służyć m.in. dodaniu nowych komponentów do modelu (np. użycie uformowanej części w większym złożeniu) czy kontynuowaniu analizy po wprowadzeniu większych zmian w oparciu o wyniki pierwszej symulacji. Import między analizami w Explicit ma mniej ograniczeń niż import między Explicit a Standard (np. stan kontaktu ogólnego jest importowany).

W przeciwieństwie do restartu, import pozwala modyfikować nie tylko historię analizy, ale też definicję modelu - można importować wybrane części, dodawać nowe elementy itd.

Możliwości i ograniczenia importu

Import pozwala na transfer wyników (stanu materiału) z uwzględnieniem następujących zmiennych:

• naprężenia
• ekwiwalentne odkształcenia plastyczne
• naprężenia wsteczne (back stresses) dla modeli wzmocnienia kinematycznego
• zmienne stanu definiowane przez użytkownika
• zmienne stanu związane z modelami uszkodzeń dla metali ciągliwych, kompozytów wzmacnianych włóknami, modelu CDP i zachowania traction-separation dla elementów kohezyjnych
• maksymalna gęstość energii odkształcenia postaciowego dla efektu Mullinsa
• wewnętrzne odkształcenia i naprężenia dla modeli lepkosprężystości
• odkształcenia transformacji i frakcja martenzytu dla modeli supersprężystości
• zmienne stanu elementów typu connectory (odkształcenia plastyczne, poślizg tarciowy i stan uszkodzeń)
• sprężystość liniowa
• plastyczność Misesa (w tym modele wzmocnienia kinematycznego)
• rozszerzona plastyczność Druckera-Pragera
• plastyczność Deshpande-Flecka dla kruchych pianek
• plastyczność Mohra-Coulomba
• plastyczność stanu krytycznego dla gruntów spoistych (clay plasticity))
• plastyczność żeliwa
• model betonu z uszkodzeniem plastycznym z kryterium uplastycznienia Lublinera (CDP)
• plastyczność Johnsona-Cooka
• hipersprężystość (w tym efekt Mullinsa)
• pianki hipersprężyste
• lepkosprężystość
• supersprężystość
• odpowiedź traction-separation z uszkodzeniem dla elementów kohezyjnych
• model uszkodzeń dla metali ciągliwych
• model uszkodzeń dla kompozytów zbrojonych włóknami
• zachowanie connectorów
• materiały zdefiniowane w podprocedurach użytkownika UMAT i VUMAT
• nieliniowy model lepkosprężysto-plastyczny (PRF - Parallel Rheological Framework)

Wspierane są następujące modele materiałów:

Dla wszystkich innych modeli materiałów importowane są tylko naprężenia.

Poniższa tabela przedstawia co jest importowane, co należy przedefiniować i czego nie można zaimportować:

*Explicit --> Explicit i Standard --> Explicit (nie odwrotnie)

**Stan kontaktu ogólnego jest importowany między analizami w Abaqus/Explicit

*** Wyniki węzłowe dla więzów kinematic i distributing coupling są importowane, ale więzy trzeba przedefiniować

Jeśli importowany jest stan materiału, spośród warunków początkowych, na importowane węzły można przypisywać tylko prędkość początkową (również obrotową).

Właściwości materiałowe (ale nie przekrojowe – sekcje czy orientacje elementów) można zmienić definiując je ponownie dla tej samej nazwy materiału. W Abaqus/CAE nie da się przypisywać nowych sekcji do importowanych części, więc trzeba zaimportować cały model zamiast samej części z .odb. Zmiany właściwości materiałowych powinny być jednak przeprowadzane ostrożnie, aby zapewnić spójny stan materiału. Zwykle upraszcza się tylko definicję, np. usuwając plastyczność. Ustawień section controls dla elementów nie można zmieniać.

Procedury w Abaqus/Standard, z których można dokonywać importu do Abaqus/Standard to *STATIC, *DYNAMIC, *STEADY STATE TRANSPORT oraz *COUPLED TEMPERATURE-DISPLACEMENT (w tym w wersji electrical). Import z Abaqus/Standard do Abaqus/Explicit jest możliwy tylko dla *STATIC, *DYNAMIC i *STEADY STATE TRANSPORT. Analiza z importem w Abaqus/Standard może korzystać ze wszystkich dostępnych procedur, łącznie z perturbacyjnymi.

Szczegółową listę ograniczeń importu w zależności od konfiguracji (Standard <--> Explicit lub z jednej analizy w Standard do drugiej bądź z jednej analizy w Explicit do drugiej) można znaleźć w odpowiednich rozdziałach dokumentacji w sekcji Analysis --> Analysis Techniques --> Analysis Continuation Techniques --> Importing and Transferring Results).

Definiowanie importu za pomocą interfejsu słów kluczowych

Analizy importu wymagają plików restartowych (.res) z bieżącym stanem modelu. Należy więc upewnić się, że dane restartowe są zapisywane w analizie, z której będzie przeprowadzany import. Transfer z Abaqus/Standard do Abaqus/Explicit wymaga też plików .mdl, .stt, .prt i .odb. Transfer z Abaqus/Explicit do Abaqus/Standard wymaga dodatkowo plików .abq, .stt, .pac, .prt oraz .odb.

Ponadto potrzebny jest nowy plik .inp dla kolejnej fazy analizy zawierający słowo kluczowe *IMPORT zaraz po opcji *HEADING (dla domyślnego formatu bez pełnego modelu), dodatkowe dane modelu i dane historii dla nowej fazy symulacji.

Uruchamianie analizy z importem odbywa się analogicznie do analiz restartowych – z użyciem parametru oldjob:

abaqus job=analiza_z_importem oldjob=poprzednia_analiza

Podstawowa składnia słowa kluczowego *IMPORT to:

*IMPORT, UPDATE=YES/NO, STATE=YES/NO, LIBRARY=..., STEP=..., INCREMENT/INTERVAL/ITERATION=..., RENAME

- UPDATE – wymagany parametr, NO jeśli analiza ma być kontynuowana bez resetowania konfiguracji odniesienia (przemieszczenia i odkształcenia będą podawane jako całkowite wartości względem oryginalnej konfiguracji odniesienia, a więc będą ciągłe) lub YES jeśli konfiguracja odniesienia ma być zresetowana (przemieszczenia i odkształcenia są wtedy zerowane i obliczane względem zaktualizowanej konfiguracji odniesienia) - ustawienie YES ma sens np. dla analiz springback, żeby uzyskać przemieszczenia i odkształcenia odbicia sprężystego względem stanu na początku analizy springbacku, ale nie należy używać ustawienia YES jeśli dalej nastąpią kolejne etapy formowania, ponieważ konfiguracja odniesienia nie będzie konsekwentna/ciągła

- STATE - wartość YES (domyślna) oznacza, że importowany jest stan materiału, zaś wartość NO oznacza, że nie jest on importowany

- LIBRARY – parametr wymagany przy imporcie z wielu wcześniejszych analiz (tylko Explicit, nie dotyczy importu instancji części) lub jeśli używany jest format pełnego modelu, opcjonalny przy imporcie z jednej analizy, wskazuje poprzednią analizę, z której importowane są elsety

- STEP – numer kroku, z którego następuje import

- INCREMENT – przyrost, z którego importowane są wyniki z Abaqus/Standard (domyślnie ostatni)

- INTERVAL - interwał czasowy, z którego importowane są wyniki z Abaqus/Explicit

- ITERATION – iteracja, z której importowane są wyniki z analizy direct cyclic w Abaqus/Standard

- RENAME – parametr używany, jeśli zmieniane są nazwy importowanych elsetów

W linii danych tego słowa kluczowego wypisywane są elsety do zaimportowania z wcześniejszej analizy. Pusta linia oznacza import wszystkich elsetów z definicją sekcji, które są wspierane w imporcie. Importowane są też wszystkie nsety powiązane z nimi.

W przypadku modeli, które nie są zdefiniowane jako złożenia instancji, można również selektywnie importować tylko definicje określonych grup węzłów i elementów czy powierzchni korzystając ze słów kluczowych *IMPORT NSET, *IMPORT ELSET oraz *IMPORT SURFACE. Jeśli pod słowem kluczowym *IMPORT SURFACE nie wypisze się powierzchni to zaimportowane zostaną wszystkie powierzchnie. Dla modeli nie korzystających ze struktury złożenia instancji, wszystkie powierzchnie związane z importowanymi elementami są domyślnie importowane przy transferze z Abaqus/Standard do Abaqus/Standard.

Bieżąca grubość powłok i membran jest importowana automatycznie i staje się grubością początkową, jeśli UPDATE=YES.

Wszystkie węzły dołączone do importowanych elementów są również importowane. W nowej analizie można zdefiniować dodatkowe węzły i elementy.

Alternatywnie, dostępny jest też format wejściowy pełnego modelu, w którym podane są wszystkie dane związane z importowanym modelem włącznie z nowymi danymi modelu dla dodatkowych części. Wtedy plik .inp zawiera kompletne informacje o modelu do analizy. Pozwala to też importować elsety częściowo, importować uprzednio sztywne elsety jako deformowalne i korzystać z formatu SIM do importu. Do tego formatu stosuje się słowo kluczowe *IMPORT CONTROLS, MODEL=YES. Słowo kluczowe *IMPORT może być wtedy umieszczone w dowolnym miejscu w obrębie danych modelu, ale zaraz po nim musi być wstawiony keyword *IMPORT CONTROLS.

Ustawienie NLGEOM jest importowane i staje się ustawieniem dla nowej analizy.

Jeśli model jest zdefiniowany jako złożenie instancji części to definicja ma następującą formę:

*INSTANCE, NAME=nowa_nazwa_instancji, INSTANCE=oryginalna_nazwa_instancji, LIBRARY=nazwa_oryginalnej_analizy

pozycjonowanie_instancji

*IMPORT, UPDATE=YES/NO, STATE=YES/NO

*END INSTANCE

Zmieniając nową nazwę instancji można utworzyć wiele kopii instancji z poprzedniej analizy. Zmieniając bibliotekę (parametr LIBRARY) można zaś importować części z wielu poprzednich analiz.

Definiowanie importu za pomocą interfejsu Abaqus/CAE

W interfejsie graficznym Abaqus/CAE, z importu korzysta się w nieco inny sposób. Import wymaga tu definicji modelu z użyciem złożeń instancji części. Nazwy instancji w nowym modelu muszą być takie same jak w poprzednim modelu.

Często korzysta się z następującego podejścia:

1. Włączenie zapisu danych restartowych w pierwszej analizie i uruchomienie jej jeśli te czynności nie zostały jeszcze wykonane.
2. Skopiowanie modelu z poprzedniej analizy.
3. Zastąpienie kroku nowym (np. z dynamic explicit na static).
4. Usunięcie zbędnych definicji (np. dotyczących części nie uwzględnianych w nowej analizie, takich jak narzędzia w analizie springback).
5. Zachowanie wybranych części i powiązanych z nimi definicji. Ew. dodanie nowych części.
6. Zdefiniowanie importu poprzez dodanie Predefined Field typu Initial state.
7. Dodanie np. nowych warunków brzegowych do importowanej części.
8. Uruchomienie analizy w standardowy sposób (Job Type: Full analysis).

Initial State można stosować na instancje z utworzoną siatką (powinna być ona taka sama jak w oryginalnej analizie, stąd też kopiowanie modelu) lub na instancje typu orphan mesh, czyli zaimportowane siatki. Alternatywnym podejściem do kopiowania modelu jest więc użycie opcji File --> Import --> Part i zaimportowanie części z pliku .odb poprzedniej analizy lub użycie File --> Import --> Model (aby uwzględnić też np. materiał i sekcję), a następnie zdefiniowanie pola Initial State. Co ciekawe, można zaimportować zarówno niezdeformowaną, jak i zdeformowaną siatkę - import i tak użyje odpowiednio zdeformowanej siatki, ale różnicą będzie to, jak siatka wygląda w preprocessingu (zdeformowaną może być łatwiej spozycjonować wzgl. innych części). Oczywiście możliwe jest też samo wczytanie zdeformowanej siatki z .odb bez dalszego użycia Initial State (zawsze importuje stan materiału) i korzystania z techniki importu.

Importując siatkę do użycia z importem należy zwrócić uwagę na nazwę instancji – musi być taka sama jak w oryginalnej analizie (Abaqus domyślnie dodaje –1 do nazwy części tworząc instancję - należy to zmienić). Nie trzeba przypisywać sekcji do tak zaimportowanej siatki używanej z importem (mimo ostrzeżenia przy uruchamianiu analizy). Importowanych siatek nie można modyfikować w żaden sposób.

Nie można zmieniać położenia importowanych instancji. Jedyny sposób na zmianę ich pozycji to użycie słów kluczowych – dane pozycjonowania podaje się w dalszych liniach słowa kluczowego *IMPORT lub bezpośrednio pod słowem kluczowym *INSTANCE. Repozycjonowanie (oraz wielokrotny import tej samej części/elsetu za pomocą słów kluczowych) nie są jednak wspierane przy imporcie z Abaqus/Standard do Abaqus/Standard.

Równowaga statyczna przy imporcie z Explicit do Standard

Importując stan modelu z analizy w Abaqus/Explicit, należy pamiętać, że model nie jest w stanie równowagi statycznej (Abaqus/Explicit zawsze poszukuje równowagi dynamicznej). Obecne są niezrównoważone siły bezwładności i tłumienia. Do braku równowagi statycznej przyczyniają się też zmiany w warunkach brzegowych i kontakcie. Siły kontaktowe nie są importowane a warunki brzegowe mogą być modyfikowane w analizie z importem. W analizach quasi-statycznych (np. obróbki plastycznej) ta równowaga dynamiczna jest stosunkowo zbliżona do równowagi statycznej.

Przy imporcie z Abaqus/Explicit do kroku statycznego w Abaqus/Standard, solver automatycznie zadaje sztuczne wewnętrzne siły równoważące importowane naprężenia, tak by uzyskać równowagę statyczną na początku analizy. Te sztuczne naprężenia są liniowo redukowane do zera na końcu pierwszego kroku. Podczas ich usuwania część może się dalej deformować (np. springback) na skutek redystrybucji sił wewnętrznych. Na końcu kroku uzyskuje się właściwą konfigurację (np. finalny springback).

Analogiczna procedura jest stosowana przy imporcie z analizy dynamicznej w Abaqus/Standard do analizy statycznej w Abaqus/Standard.

Podsumowanie

Technika importu w Abaqus umożliwia przede wszystkim korzystanie z obu głównych solverów (Standard i Explicit) w różnych etapach tej samej analizy. Dzięki temu można przeprowadzać wydajne obliczenia zgodnie z zalecanym obszarem zastosowań danego solvera. Jednak import jest stosowany nie tylko do zmiany solverów. Ta technika przydaje się również przy symulowaniu wieloetapowych procesów (np. spawania kilku części tej samej konstrukcji) analizowanych za pomocą jednego typu solvera. Dzięki możliwościom znacznej modyfikacji danych modelu (np. pominięcie lub dodanie nowych części), jest to o wiele bardziej uniwersalna technika kontynuacji analiz niż restart.

Więcej informacji o tej technice można uzyskać w dokumentacji oraz kursach “Introduction to Abaqus/Standard and Abaqus/Explicit” i “Abaqus/Explicit: Advanced Topics”.