SOLIDWORKS MODSIM产品介绍（第二期）：“世界是非线性的”

在上一篇内容中我们有介绍，线性分析是工程中评估受力情况下结构性能的最常用方法。线性分析基于一定的假设（材料应力应变之间存在线性关系、小变形），当结构在载荷的作用下发生变形时，由于形状、材料、支撑关系等因素的影响，其刚度会发生变化。如果变形很大，则其形状会发生变化；如果材料达到失效极限，则材料属性将会变化。另一方面，如果刚度变化足够小，则可以假定在变形过程中形状或材料属性没有任何变化，这种假设是线性分析的基本原理，所以可以说“刚度”这个词定义了线性分析与非线性分析间的根本区别。

线性只是我们对复杂物理现象的简化，非线性才是客观世界的常态。工程中遇到的一些复杂问题如橡胶等超弹性材料压缩，结构高速碰撞、跌落，金属加工成型等（上述问题包括几何非线性，材料非线性或接触非线性），需要借助非线性分析去解决。众所周知，Abaqus 以强大的非线性问题处理能力而著称，其求解非线性问题不仅具有良好的收敛性，并且其计算精度也得到工程领域的认可。今天我们介绍两个平台中基于Abaqus求解器的结构力学角色：

Structural Performance Engineer 结构性能工程师（以下简称SFO）

Structural Mechanics Engineer 结构力学工程师（以下简称SSU）

01.Structural Performance Engineer （SFO）结构性能工程师

Structural Performance Engineer （SFO）结构性能工程师是3DEXPERIENCE平台上的力学分析角色，使用Abaqus Standard求解器（隐式求解器），相较于上期介绍的SLL，增加了非线性静态、隐式动态分析步和通用接触功能。SFO支持以下类型的模拟：

• 线性静态

• 模态分析

• 屈曲分析

• 热-力耦合分析

• 谐波响应

• 模态动态分析

• 高级网格/高级单元

• 多分析步

• 非线性静态

• 隐式动态分析步

• 通用接触

下面对SFO中的重点功能及使用场景做简述（其他功能如线性静态、模态分析等与SRD\SLL一致，请参考上一篇MODSIM介绍内容）：

隐式动态分析步

 使用Abaqus Standard隐式求解器，隐式求解的特点是利用迭代的方法求解下个增量步的未知量，即对于一个问题，隐式是将其看作一个整体，进行矩阵的计算，迭代方法一般为Newton-Rapson法。隐式求解没有条件稳定，任何大小的时间增量皆可让结果在一定范围内，但由于采用的是迭代的方法，因此有计算收敛性问题。隐式求解器适用于静态、轻度/平滑非线性问题和低速动力学问题（这些问题通常都对应力精度有很高的要求），如橡胶垫片单元密封问题，轮胎稳态滚动问题，复合材料机翼裂纹扩展等问题。

02.Structural Mechanics Engineer（SSU）结构力学工程师

Structural Mechanics Engineer （SSU）结构力学工程师是3DEXPERIENCE平台上的高级结构仿真角色，基于云端3DEXPERIENCE平台使用，使用Abaqus隐式及显式求解器。SSU可以帮助工程师对结构的线性和非线性静态、低速和高速动态和热仿真进行研究，另外SSU的材料校准功能有助于确保准确的材料行为建模。SSU支持以下类型的模拟：

• 线性静态

• 模态分析

• 屈曲分析

• 热-力耦合分析

• 谐波响应

• 模态动态分析

• 高级网格/高级单元

• 多分析步

• 非线性静态

• 隐式动态分析步

• 通用接触

• 显式动态分析步

• 准静态分析

• 随机振动

• 材料拟合

• 几何清理

下面对SSU中的增加功能及使用场景做简述：

随机振动分析：随机振动分析是研究结构或系统在随机激励下响应的方法，它在工程领域中具有重要意义，特别是在航空航天、汽车、机械和土木工程等需要考虑不确定性和环境激励的领域。随机振动是指结构或系统受到的激励是随机的，即激励的大小、方向和时间分布具有不确定性。这种激励通常由自然现象（如风、地震、海浪）或人为因素（如车辆行驶、机器运转）引起。通过随机振动分析，可以帮助评估结构在随机振动环境下的安全性，确保其在极端条件下的稳定性和完整性。

在SSU中进行随机振动分析的流程与Abaqus类似，首先创建模态动态分析步，通过模态分析可获得构件的固有频率和振型，再创建随机振动分析步，定义并施加加速度功率谱密度。

准静态分析：准静态分析是一种用于模拟材料响应随时间变化的问题的分析方法，适用于惯性效应可以忽略的情况。准静态分析可以是线性的也可以是非线性的。在准静态过程中，系统在任意时刻都接近于平衡状态，因此可以将整个过程看作是由一系列极接近平衡的状态所构成。在Abaqus中，Abaqus/Standard里的准静态分析适用于分析蠕变、膨胀、粘弹性和双层粘塑性等材料响应问题，除了常规的静态分析输出变量外，还特别为蠕变问题提供了相关变量；而在Abaqus/Explicit中，能够更有效地模拟高度非线性的准静态问题，会用于处理复杂的接触问题和大变形问题，如金属成型分析。当然，由于准静态过程本质上是长期的，直接模拟其自然时间尺度上的事件在计算上不切实际，因此需要采取一些方式来加速模拟，例如可以通过人为提高加载速率或采用质量缩放来实现。SSU中沿用了Abaqus的方法，准静态分析可以基于隐式/显式求解器使用。

显式动态分析步：使用Abaqus Explicit显式求解器，可以广泛用于模拟动力学问题。显式求解仅考虑前一时刻的状态量，不需要迭代；有条件稳定，增量必须小于某一临界值才能让结果达到稳定状态；不存在计算收敛问题（大变形可收敛）。基于以上特点，显式求解特别适用于分析瞬态动力学问题，例如手机和其他电子产品的跌落实验、弹道冲击、汽车及子系统的冲击、碰撞等。显式求解还能用于金属成型和多步骤成型模拟。

显式求解器的一个显著特点是其高效的计算能力，尤其在处理具有复杂接触和高度非线性的问题时表现优异。例如，在汽车碰撞分析中模拟车辆结构的安全性和气囊展开过程。显式求解提供了自适应网格功能，使其能够模拟材料发生严重变形的问题，如金属成型。

除了本身的仿真功能以外，SSU还具备一些前处理功能如几何特征清理，另外通过SSU也可以进行材料参数拟合，根据物理测试数据创建真实的材料属性，减少材料模型与试验数据之间的误差，提高仿真结果的准确。

以上就是本期内容，下一期我们会介绍包含疲劳分析的结构力学角色，敬请期待！