在Mechanical中使用生死单元法

一．什么是生死单元法

在仿真过程中，生死单元法这个功能允许我们去激活某些单元、重新激活某些单元或是使某些单元失效。

举例：

典型的例子包括制造过程、装配过程和有关材料的失效或是移除的分析。

• 开凿(比如在隧道或是泥浆墙中开凿)。
• 分段施工(无支座结构桥梁的安装)
• 焊缝沉积
• 3D打印
• 热处理

下面的动画为一个2D半对称模型，叠层纸板在两个阶段的成型过程中分别被折皱和折叠。在第一阶段，纸板被夹在压痕夹具中，允许横向滑动。一个压痕器向下移动到纸板位置，在它上面创建折痕。在第二阶段，压痕夹具被停用，折叠夹具被激活(折叠夹具中包括一个支点)，折叠臂向下运动完成纸板的折叠行为。

仿真过程

当单元未激活或是“被杀死”时：

• “被杀死”的或是未激活单元将其刚度乘上一个缩小系数(默认为1e-6)。其刚度不设置为零是为了防止矩阵奇异。
• “被杀死”单元上的载荷(比如压力、温度)会被归零。
• 未激活的单元上的质量，阻尼和应力-刚度矩阵皆为零。
• 一旦单元被删除，单元的应力和应变皆重置为零。
• 由于失效的单元没有被移除，因此刚度矩阵的维度保持不变。

由于失效的单元没有被移除，因此刚度矩阵的维度保持不变。

当单元被激活或是“诞生”时：

• 刚度缩小系数被取消。
• 所有单元，包括初始的失效单元，在求解前必须存在。这是因为在仿真计算过程中刚度矩阵维度不能变化。
• 单元被激活后，它的刚度、质量和阻尼矩阵都会回到它们的初始值。单元载荷也会回到它们原来值或是实际值。
• 在任意一个单元激活后，他们不会有之前任何应变历史记录。单元“诞生”时，其所有应力和应变初始值均为零。

二． 整个几何体的生死法

在Mechanical中，整个几何体的生死法是两种最常用的方法之一。

• 在Mechanical中，它是一个可以直接设置标准对象。
• 在不同载荷步中，它允许设置几何体“生”或“死”状态。
• 如果你需要控制刚度改变，可以自行加入APDL命令控制。

三． 接触对的生死法

在Mechanical中，接触对的生死法是另外一种常用的方法。(下面视频案例评论区私聊并留下您的邮箱信息)

• 在Mechanical中，它是一个可以直接设置的标准对象。
• 它允许设置接触面单元和目标面单元的“生”“死”状态。
• 因为物体保持充分刚度，因此其更加稳定。
• 然后你可以在模拟中移动不再需要的物体。

四.生死法属性

这是一个严重的非线性问题。当单元状态改变时，单元的刚度会有很大变化。这将会导致收敛困难。可以在Solution Infomation设置Newton Raphson Residual查找哪里不收敛。

确保你用的是直接求解器。当非线性变得更严重时，迭代求解器的效率就会降低。

如果不存在其他非线性，则应指定 Newton-Raphson选项为Full。对于所有涉及到生死单元法的仿真，如果不存在其他非线性，则必须确保在第一个加载步骤中设置Newton-Raphson选项。因为程序无法在后续的加载步骤中预测EKILL命令的存在。

五 额外的注意事项

对于载荷：

• 对于未激活单元，单元上的载荷（压力，温度）自动为零。
• 质量为零，所以加速度载荷不会影响未激活单元。
• 集中节点力不会自动从未激活单元的自由度中去除。用户必须手动删除非活动节点上的集中负载。类似地，在重新激活单元时，必须重新添加这些节点负载。
• 当你重新激活单元时，所有单元和惯性载荷恢复(压力、温度、加速度)。但是如上所述，节点力不受生死单元的影响。

对于边界条件：

如果您希望在重新激活单元时保留单元的形状，那么约束未激活单元的节点可能很重要。在重新激活单元时，一定要删除这些人为约束。

未连接到任何单元的节点可能会浮动。在某些情况下，您可能希望约束这些没用的自由度以减少待解方程的数量或避免病态矩阵(回想一下，缩小系数ESTIF会在刚度矩阵中生成较小的项，这可能会导致病态矩阵)。

六 总结

• 生死法就是在分析过程中通过施加或移除刚度缩小系数来激活、重新激活或是失效某些网格。
• Mechanical中有3种生死法种类：

几何体的生死法

接触对的生死法

独立单元的生死法（需要APDL语言来控制）

几何体的生死法允许在不同载荷步下设置几何体的“生”“死”状态。接触对的生死法允许设置接触面单元和目标面单元的“生”“死”状态。独立单元的生死法允许通过APDL命令选择某些单元的“生”“死”状态。

由于几何体保持完整刚度，因此接触对的生死法通常比几何体的生死法计算更快，更稳定。