OptiStruct非線形解析のヒント
Altair Employeeこの記事はTips & Tricks: OptiStruct NonLinear Analysisを翻訳したものです。
非線形モデルを陰解法で解く場合、多くの要因が関係するために、目的の解析が行えないことがあります。
ここでは、OptiStructでの非線形モデルの解析をうまく実行するためのヒントとコツを紹介します。
非線形解析の基本
- OptiStructでは、非線形準-静的解析（微小変位または大変位）を行うことができます。
- 微小変位（デフォルト）または大変位を使用するかどうかは、PARAM,LGDISP,(0：微小変位, 1：大変位)を使用して制御できます。
- 荷重ステップ定義でNLPARM（非線形パラメータ）を使用することで、NLPARM(LGDISP)が大変位を有効にします。
- また、動的非線形問題に対しては、非線形過渡解析も利用できます。
- 非線形解析は、ある時点で100%の荷重が適用されるまで、小さな荷重増分を適用していきます。例えば、10%から始めて、20%、30%、...100%となります。設定によっては、OptiStructは自動的に荷重増分を増加または減少（カットバック）します。
非線形収束制御
NLPARMロードコレクタ
非線形解析を行う際は必ずNLPARMロードコレクタを使用します。主に初期の荷重増分（DTまたはNINC）と収束基準（ESPU、EPSP、EPSW）を制御します。これらの収束制御は、.outファイルで各荷重増分ごとに確認できます。
中間結果をより多く保存するには
OptiStructはデフォルトで、非線形解析の最終荷重増分のみを保存します。中間結果をより多く保存するには、NLOUTロードコレクタを作成し、NINTパラメータを使用して保存するステップ数を指定します。最新バージョンには、すべての荷重増分を保存するオプションや、特定の荷重増分で保存するオプションなどがあります。NLOUTロードコレクタは、非線形荷重ステップ内で参照する必要があります。NLOUTには、「非収束増分を保存する」という意味のSVNONCVというオプションもあり、これによりモデルが収束しなかった場合でも、少なくとも最後の増分を見ることができます。
計算が収束しなかった場合は
収束問題は、モデルが適切に拘束されていない場合や、回転自由度が拘束されていない場合、接触定義が不十分な場合など、さまざまな原因で発生します。PARAM,NLMON,DISPコントロールカードを追加することで、これらの一般的な問題を検証できます。これにより、モデルが実行されている間に２つの追加ファイル（modelname_nl.H3D、modelname_nl.out）が書き込まれます。これら２つのファイルは、モデルの動作をより詳細に示し、収束問題の原因となっているものを確認できます。また、nl.outファイルでは、非線形エラーが大きい節点や圧力が大きい節点などが詳細に示されています。これらは通常、モデルが収束しない要因となります。
NLADAPTカード
NLADAPTカードを使用すると、荷重増分に対する制御がより良くなります。NLADAPTは非線形大変位過渡応答解析で一般的に使用され、最小および最大増分（DTMINおよびDTMAX）、および許容されるカットバックの最大数（NCUTS）を制御できます。DTMAXの制御は、有限スライディング接触など、収束するためにより制御された荷重増分が必要なケースで役立ちます。これは、大きすぎるステップにより、ソルバーが行ったり来たりして解析の進行が遅くなるのを回避するために、最大荷重増分を一定の値に制限します。NCUTSは、OptiStructによって許容される連続カットバックの最大数を制御します。（デフォルト：5回）カットバックとは、ソルバーが荷重増分を適用しようとして収束しない場合に、荷重増分を減らす必要があることを意味します。カットバックは収束に困難があることを示しています。また、NOPCLおよびNSTSLというパラメータもあります。これらは、オープンおよびクローズコンタクトの変化数、およびスティックスリップ遷移数を制御します。これらの変化を制限することで、場合によっては収束性が良くなる可能性があります。
非線形接触
接触安定化
接触に関する問題では、CNTSTBロードコレクタやPARAM,EXPERTNL,CNTSTBコントロールカードが役立つ場合があります。これらは接触安定化と呼ばれ、特に部品が接触によってのみ接続されている場合に、モデルに一定の剛性を追加します。このような場合、一般的には、初期荷重増分を小さくすることが推奨されます。これは、ソルバーが接触による剛性の変化を捉える必要があるためです。CNTSTBは、荷重ステップの開始時に人工的な剛性を追加することで、モデルの収束性をあげます。そして、収束するにつれて、このエネルギーは減少します。これは人工的な数値的剛性であるため、注意して使用する必要があります。
接触力や状態を確認するには
接触力や状態を確認するには、CONTF出力要求カードを使用します。CONTFは接触領域における接触力を提供し、接触の動作を確認することができます。CONFT(H3D)はH3Dファイルに接触状態と力を出力します。CONTF(OPTI)はグループごとの接触力の合計や接触面積などの要約情報を含むASCII（テキスト）ファイルを出力します。
接触
接触には、小スライディング、有限スライディング、連続スライディングトラッキングモデルがあります。小スライディングは計算コストを抑えられます。接触ペアは一度だけ計算され、荷重ステップの終了まで変わりません。したがって、部品間に大きなスライディングが期待されず、接触領域が同じままである場合に使用できます。接触領域がシミュレーション中に変化する場合は（歯車の歯など）、有限スライディングまたは連続スライディングが好ましいです。これらは少し計算コストがかかりますが、それぞれ増分ごとと反復ごとに接触ペアと剛性を再計算します。この場合、シミュレーション中に接触領域が変化する可能性があるため、接触表現の自由度が高くなります。
接触モデル(FREEZE、SLIDE、STICK)
FREEZE、SLIDE、STICKの事前定義された接触モデルがあります。
- FREEZEは、「接触ペア間の相対変位がゼロ」と考えられ、接着剤でくっつけられたかのような挙動になります。線形および非線形解析の両方で使用できます。
- SLIDEは接触ペア間に摩擦がないと仮定します。線形および非線形の両方で使用できますが、線形解析では接触開閉がありません。ステータスは初期条件に基づいて定義されます。
- STICKは、接触ペアが開閉することができますが、閉じると部品間にスティックが発生し、移動/スライドができません。さらに、非線形解析用に摩擦係数MUを指定できます。
マスターとセカンダリ
接触はマスターとセカンダリの関係によって定義されます。マスター面はセカンダリ節点を検索し、「見つかった」ら、セカンダリからマスターへの投影が作成されます。一般的にマスター面は粗いメッシュで、セカンダリは細かいメッシュになります。
接触定義のオプションを増やすには
接触定義のオプションを増やすには、PCONTプロパティを接触に関連付けることができます。PCONTでは、例えば、接触剛性を制御することができます。問題によっては、接触部品の材料特性に応じて、接触圧力が高くなりすぎて収束問題が発生する可能性があります。これは例えば、マスターが非常に硬い材料で、セカンダリが非常に柔らかい材料である場合に発生する可能性があります。この場合、大きな接触力が発生し、柔らかい要素を変形させる可能性があります。これにより過度な要素歪みや収束問題が発生する可能性があります。PCONTでは、AUTO、SOFTまたはHARDから接触剛性を変更したり、値を指定したりすることができます。SOFTは小さな接触力で多くの場合役立ちますが、非現実的な貫通も発生する可能性があります。
CLEARANCEオプション
パートにメッシュを作成するとき、メッシュが完全に形状を表現できないことで、不完全な接触分布を引き起こす可能性があります。CLEARANCEというオプションは、メッシュの節点間距離を無視し、部品間の隙間に固定値を仮定するため、より均一な接触を得るのに役立つ可能性があります。したがって、0のクリアランス値を指定すると、部品は完全に接触します。また、プレスフィットや干渉条件をシミュレートするために、負のCLEARANCEを使用することもできます。クリアランスに-2.0を指定すると、モデルは2.0mmの干渉があるかのように動作し、OptiStructはこの干渉を解消するまで部品を押し出します。
2次要素を接触と共に使用する場合
2次要素を接触と共に使用する場合、PARAM,CONTFEL,YES（接触と親和性のある2次要素）というコントロールカードを追加することで、特別な接触形式が有効になります。
ボルトプリテンションと順次荷重
ボルトプリテンション解析
プリテンション荷重ケースでは、最初にPRETENS 荷重ステップを追加し、ボルトプリテンション荷重のみを適用する必要があります。プリテンションサブケースの後に、後続の荷重ケースを追加し、初期のプリテンション荷重ケースを参照するSTATSUB(PRETENS)を追加します。他の荷重ケースはプリテンション荷重を引き継ぎます。
CNTNLSUB
プリテンションに加えて、CNTNLSUB（非線形サブケースの継続）を使用して、非線形荷重ケースの最終状態を別の非線形荷重ケースに引き継ぐことができます。たとえば、初期荷重ケースからの応力や変位などです。これは、1つの荷重ステップが別の荷重ケースから続く必要がある任意の順次荷重ケースに必要です（プリテンションだけでなく）。
CNTNLSUBの注意点
CNTNLSUBを使用する場合、1つのステップから別のステップへの荷重は注意深く定義する必要があります。たとえば、荷重ステップ1ではY方向に1000Nがかかり、一部の塑性ひずみが発生し、荷重ステップ2では残留ひずみを確認するために除荷します。この場合、非線形荷重ステップ1では'LOAD'として1000Nが適用され、非線形荷重ステップ2では力がゼロになり、CNTNLSUBが有効になります。別の例として、荷重ステップ1ではY方向に1000Nがかかり、荷重ステップ2ではZ方向に500Nが追加されます。この場合、非線形荷重ステップ1では'LOAD'としてY方向に1000Nが適用され、非線形荷重ステップ2ではY方向に1000Nを維持し、Z方向に500Nを追加します。したがって、非線形荷重ステップ2では、CNLNLSUBの使用に加えて、1000Yと500Zの組み合わせ（LOADADD）を適用する必要があります。
非線形材料 > 弾塑性
非線形材料(弾塑性)
非線形材料（弾塑性）については、MAT1材料の拡張としてMATS1カードを使用する必要があります。MATS1カードは、降伏が達成された後の弾塑性挙動をモデル化します。降伏応力（LIMIT1）と硬化係数（H）を与えることで、双線形挙動を定義することができます。または、応力-ひずみ曲線（曲線TABLES1）を与えることもできます。この曲線は、完全な応力-ひずみ曲線（TYPESTRN 0）または塑性応力-ひずみ曲線（TYPESTRN 1）として与えることができます。曲線TABLES1は、ひずみと応力の2列で提供されます。硬化は、運動学的、等方的、混合的に表現することができます。
塑性ひずみ
.outファイルでは、最大塑性ひずみ値が出力され、モデルが実行されると容易に識別できます。塑性ひずみ値が5～7%以下の場合は、微小変位を使用することができます。しかし、塑性ひずみ値が大きい場合は、大変形モデルも有効にするためにLGDISPを有効にする必要があります。
塑性モデルの注意点
剛体要素に近い要素やその他の数値的に非現実的な応力領域などの特異点領域に塑性を追加する際には、注意が必要です。これらの領域では応力が集中しやすく、急速に上昇するため、降伏が容易に達成されることが多く、大きな塑性が存在する可能性があります。これは場合によっては収束性の低下につながる可能性があります。
解析のリスタート
リスタート
非線形モデルにとって、便利な機能の一つがRESTARTです。RESTARTを使うと、非線形解析をある時点から続けることができます。これは、何らかの理由でマシンの電源が落ちた場合や、最初からやり直したくない場合、プリテンション荷重ケースを実行した後、プリテンション後に追加の荷重を加えて再開したい場合などで使用できます。どちらの場合も、最初からRESTARTW（再開ファイルを書き込む）を要求し、再開するときにはRESTARTR（再開ファイルを読み込み、最後の再開時点から続ける）を追加する必要があります。