Kosymulacje Abaqus/Standard z Abaqus/Explicit

Czym są kosymulacje?

Abaqus posiada specjalne narzędzia umożliwiające przeprowadzanie kosymulacji, czyli analiz, w których różne solvery są ze sobą sprzężone w czasie pracy. Najczęściej jest to Abaqus oraz inny program do symulacji. Możliwe jest jednak sprzężenie dwóch solverów Abaqusa. SIMULIA Co-Simulation Engine wspiera następujące typy kosymulacji:

• Fluid-Structure Interaction (FSI) – interakcja płynu z ciałem stałym – przepływ liczony na platformie 3DEXPERIENCE, w XFlow lub innym oprogramowaniu CFD,

• Conjugate Heat Transfer (CHT) – wymiana ciepła między przepływającym płynem a ciałem stałym – przepływ liczony na platformie 3DEXPERIENCE lub w innym oprogramowaniu CFD,

• sprzężenie elektromagnetyczno-termiczne lub elektromagnetyczno-mechaniczne – Abaqus/Standard sam ze sobą lub z CST Studio bądź innym oprogramowaniem do analiz elektromagnetycznych,

• modelowanie systemowe  – komponenty fizyczne i logiczne, Functional Mock-up Interface – np. z Dymola,

• połączenie z symulacjami MBD – Simpack,

• interakcja między analizą dynamiczną implicit i explicit.

Zastosowania kosymulacji Standard-Explicit

W tym artykule omówiony zostanie ten ostatni typ kosymulacji, czyli sprzężenie Abaqus/Standard z Abaqus/Explicit. Ma ono na celu wykorzystanie zalet obu solverów w jednym modelu. Abaqus/Standard jest bezwarunkowo stabilny, wydajny dla umiarkowanie nieliniowych analiz (stosunkowo małe deformacje i łagodne warunki kontaktu) i umożliwia stosowanie substruktur, podczas gdy Abaqus/Explicit doskonale radzi sobie z zagadnieniami silnie nieliniowymi (duże deformacje, problematyczny kontakt) i szybką dynamiką. Dzięki kosymulacji, model może zostać podzielony na część liczoną przy pomocy solvera Standard i część liczoną przy pomocy solvera Explicit. Oczywiście obszary te dobiera się w taki sposób, aby wykorzystać wspomniane wyżej zalety solverów. Przykładowo, pojazd w uderzeniu czołowym można podzielić na przód, gdzie występuje kontakt i znaczne deformacje oraz tył, gdzie takie warunki nie występują a deformacje są stosunkowo niewielkie. Obliczenia będą wydajniejsze w Explicit dla przodu i w Standard (implicit) dla tyłu pojazdu.

Podstawy implementacji kosymulacji Standard-Explicit

Obie części modelu muszą być zdefiniowane osobno – w odrębnych plikach .inp lub modelach CAE. Obszarem kosymulacji nazywa się powierzchnię lub zbiór węzłów, gdzie występuje interakcja między solverami (połączenie obu części modelu). Siatki po obu stronach tego połączenia mogą być nieciągłe, jeśli używane są powierzchnie oparte o elementy zdefiniowane na elementach liniowych. Niekiedy można poprawić stabilność i dokładność rozwiązania poprzez dopasowanie węzłów interfejsu. Dostępne są dwa schematy kontroli przyrostów czasowych:

• Lock-step – zmusza Abaqus/Standard do dopasowania się do rozmiaru przyrostów czasowych w Abaqus/Explicit - małe przyrosty w Abaqus/Standard, niski narzut pamięci, kompatybilność przemieszczeń w obszarze połączenia, metoda dobra do przypadków z dużą liczbą węzłów połączenia i względnie małych modeli w Abaqus/Standard,

• Subcycling – pozwala na to, żeby rozmiary przyrostów w Abaqus/Standard różniły się od przyrostów w Abaqus/Explicit - duże przyrosty w Abaqus/Standard, kosztowne obliczeniowo rozwiązywanie interfejsu, kompatybilność prędkości w obszarze połączenia, metoda dobra do przypadków z małą liczbą węzłów połączenia.

Substruktury pozwalają dodatkowo zredukować koszt obliczeniowy kosymulacji, jeśli niektóre części w Abaqus/Standard można traktować jako liniowe. Gdy zachowane węzły substruktury wchodzą w skład interfejsu kosymulacji, obszary te muszą być oparte o węzły.

Definiowanie kosymulacji Standard-Explicit przy pomocy słów kluczowych

1. Interfejs słów kluczowych do kosymulacji tego typu uległ zmianie w Abaqus 2024 FD02.
2. Utworzenie 2 plików .inp - po jednym dla każdej części modelu. Należy zdefiniować taki sam czas kroku dla obu plików i pamiętać o tym, że parametr NLGEOM jest domyślnie aktywny w Abaqus/Explicit, ale nie w Abaqus/Standard
3. Aktywacja kosymulacji - słowo kluczowe *CO-SIMULATION

1. Uruchomienie analiz. Z uwzględnieniem opcjonalnego importu z Abaqus/Standard do Abaqus/Explicit:

Poniżej przedstawiony jest szablon plików .inp do kosymulacji Standard-Explicit:

Przykładowe słowa kluczowe dla metody subcycling:

Definiowanie kosymulacji Standard-Explicit w Abaqus/CAE

1. Złożenie części do Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit w jednym modelu, ale jako osobne części.
2. Skopiowanie modelu aby utworzyć jeden model do Abaqus/Standard i jeden do Abaqus/Explicit.
3. Opcjonalne powiązanie instancji w obu modelach (opcja Link Instances) - pomaga zwizualizować cały model, powiązane instancje są aktualizowane automatycznie. Wykluczenie instancji modelu Standard w modelu Explicit i odwrotnie.
4. Zdefiniowanie kroków - dynamic explicit i static lub dynamic implicit.
5. Zdefiniowanie obciążeń, warunków brzegowych, kontaktu, więzów, żądań wyników i innych cech analizy w obu modelach. Do animacji wyników z obu analiz jednocześnie potrzebny jest zapis field output dla tych samych chwil czasu w obu analizach.
6. Utworzenie interakcji typu Standard-Explicit Co-simulation i wybór sposobu kontroli przyrostów czasowych. Nie jest zalecane korzystanie z ustawienia Specified dla Coupling step period – zablokuje to przyrosty w Abaqus/Explicit na wprowadzonej wartości. Jeśli będą one wyższe niż stabilny przyrost czasowy to wyniki mogą być niepoprawne.

7. Utworzenie i uruchomienie Co-execution. Zalecana podwójna precyzja dla Abaqus/Explicit i osobne rdzenie procesora dla poszczególnych części analizy.

8. Kosymulacja tworzy osobne pliki .odb - jeden dla Abaqus/Standard, jeden dla Abaqus/Explicit i po jednym dla każdej substruktury używanej w analizie w Abaqus/Standard, jeśli wykorzystywane są substruktury. Do wyświetlania wyników obu analiz jednocześnie można wykorzystać wykresy Overlay. Przy otwieraniu plików należy zaznaczyć opcję Append to layers. Ustawieniami tych wykresów pozwala zarządzać Overlay Plot Layer Manager. Ustawienia, takie jak współczynnik skali deformacji, legenda (ręcznie zdefiniowane wartości graniczne) i wyświetlana zmienna powinny być tożsame dla warstw. Wszystkie opcje warstw należy ustawić na All aby zmiany były stosowane do wszystkich warstw jednocześnie. Jeśli liczby klatek w obu analizach są rożne, można użyć animacji typu Time-based do ich zsynchronizowania.

Wskazówki dotyczące modelowania

1. Do kosymulacji potrzebny jest plik konfiguracji (XML), ale w większości przypadków jest on tworzony automatycznie (przez Abaqus/CAE lub z parametrów słowa kluczowego *CO-SIMULATION). Niektóre zaawansowane przypadku wymagają ręcznej definicji pliku konfiguracji w oparciu o gotowe szablony lub tzw. rozszerzone pliki konfiguracji (elaborated configuration files).
2. Dostępna jest też metoda enhanced subcycling. Zapewnia niezawodne i dokładne rozwiązania dla silnie sprzężonych zagadnień fizycznych i jest preferowana dla tego typu kosymulacji.
3. Należy unikać definiowania więzów w obszarze (interfejsie) kosymulacji. Więzy po stronie Abaqus/Standard spowodują błąd a po stronie Abaqus/Explicit zagrożą kompatybilności rozwiązania (efekt może być nieznaczny jeśli tylko niewielka część węzłów interfejsu ma zdefiniowane więzy).

Dodatkowe sposoby zwiększania wydajności

1. korzystanie z substruktur w Abaqus/Standard,
2. rozwiązywanie części modelu z niskim przyrostem czasowym w Abaqus/Standard,
3. minimalizacja rozmiaru interfejsu kosymulacji – najlepiej kilkadziesiąt węzłów,
4. redukcja rozmiaru modelu w Abaqus/Standard,
5. zwiększanie stosunku między rozmiarami przyrostów w Abaqus/Standard i Abaqus/Explicit (najlepiej > 50),
6. unikanie odzyskiwania wyników substruktur dla dużej liczby klatek wyników - może to wydłużyć czas obliczeń aż o 15%.

Podsumowanie

Abaqus pozwala na kosymulacje nie tylko z innym oprogramowaniem (aby rozwiązywać zagadnienia sprzężone i wielodomenowe), ale również solverów Standard i Explicit ze sobą. Takie analizy umożliwiają wykorzystanie zalet obu solverów jednocześnie. Abaqus/Standard pozwala na użycie substruktur i jest bardziej wydajny dla zagadnień statycznych i dynamicznych bez silnych nieliniowości, podczas gdy Abaqus/Explicit jest bardziej wydajny dla zagadnień quasi-statycznych i dynamicznych z silnymi nieliniowościami, w tym trudnymi warunkami kontaktu. Kosymulacje charakteryzują się znacznie niższym kosztem obliczeniowym w porównaniu z analizami przeprowadzanymi w całości w Abaqus/Explicit. Koszt ten można dodatkowo zredukować dzięki wykorzystaniu sunstruktur.