概要

準靜態分析或某些動態分析中，少數尺寸較小的單元控制穩態時間增量，為提高計算效率，ABAQUS/Explicit常采用質量縮放的方法。質量縮放可用于：

1、縮放整個模型，單個單元或單元組的質量

2、多步分析中，縮放每個分析步中的質量

分析步起始或整個過程中進行質量縮放

質量比例縮放可通過以下方式執行：

采用給定的常數因子對特定單元進行質量縮放

對所有指定的單元采用相同比例因子進行質量縮放，使單元組內任意單元的最小穩態時間增量等于用戶給定的時間增量

僅對單元組內穩態時間增量小于用戶給定時間增量的單元進行質量縮放，使這些單元的穩態時間增量等于用戶給定的時間增量

縮放所有指定單元的質量，使每個單元的穩態時間增量等于用戶給定的時間增量

對于金屬成形分析，基于網格的幾何形狀和初始條件，自動進行質量縮放

簡介

顯式動態過程常用于解決以下兩類問題：瞬時動態響應計算和含復雜非線性效應(最常見的是復雜的接觸條件)的準靜態模擬。由于求解動態方程時采用了顯示中心差分法，平衡方程中離散的質量矩陣對計算效率和精度都起到了關鍵性的影響。如果恰當地運用質量縮放方法，可以在保證計算精度的情況下，大大提高計算效率。然而，最適合于準靜態模擬的質量縮放技術與動態分析中必須采用的質量縮放方法存在很大差異。

準靜態分析

對于應變率無關材料的準靜態分析，自然時間并不重要。為節省計算時間，有效的辦法是有兩種：減少分析的時間步長或人為地增加模型的質量(質量縮放)。對于率無關材料，這兩種方法產生的效果相同；但如果模型中含有率相關材料，首選質量縮放方法，因為該方法保留了自然時間。

準靜態分析的質量縮放方法通常用于整個模型上執行。然而，當模型各部分的剛度和質量不同時，常選中模型的某部分進行質量縮放或對每部分分別進行縮放。任何情況下，都沒有必要減小模型質量的實際值，并且隨意地增加質量通常都會影響到計算精度。對于大多數準靜態問題，一定程度的質量縮放可以增加ABAQUS/Explicit時間增量，從而減小計算時間。然而，必須保證質量的改變和隨之增加的慣性力對計算結果沒有顯著影響。

誠然，修改材料密度也可以達到質量縮放的效果，但本節描述的方法靈活性更大，特別是在多步分析中。

有關準靜態過程中質量縮放的討論，可參看”Rolling of thick plates,” Section 1.3.6 of the

ABAQUS Example Problems Manual

動態分析

動態分析中，自然時間度量非常重要，為了獲得瞬態響應，必須精確地表示模型的實際質量和慣性。然而，許多復雜的動態模型包含了一些尺寸極小的單元，使顯示動態分析采用很小的時間增量。這些小尺寸單元通常是在生成復雜網格時形成的。通過在分析步起始時對這些控制單元的質量進行縮放，可以顯著地增加穩態時間增量，而對整個模型的動態行為的影響可以忽略不計。

對真正的動態問題，只能對少數單元進行質量縮放，并且不允許明顯地增加整個模型的質量，否則會降低動態結果的精度。

有關動態分析中采用質量縮放的討論，可參看“Impact of a copper rod,” Section 1.3.10 of the

ABAQUS Benchmarks Manual,;

穩態時間增量

本節中，“單元穩態時間增量”是指單個單元的穩態時間增量；“單元－單元穩態時間增量”是指某個單元組內單元穩態時間增量的最小值；“穩態時間增量”是指整個模型的穩態時間增量。

模型中引入質量縮放

顯示動態分析中有兩種質量縮放方法：定比例質量縮放和變比例質量縮放。兩種方法可以分開使用，也可以結合起來使用。質量縮放可用于整個模型，也可以用在單元組上。

定比例質量縮放

定比例縮放方法是對組裝成全局節點質量陣的單元質量進行縮放，該方法在分析步起始時執行。縮放后的質量陣接著用于該分析步的每個增量步，除非同時采用了變比例縮放。如果接下來的分析步中沒有重新定義質量縮放，定比例縮放方法將延續下去。

定比例縮放的兩種基本方法：直接定義質量縮放因子，或者用戶定義最小的穩態時間增量，由顯示動態分析過程來確定質量縮放因子。

定比例縮放方法簡單，在分析步起始時修改準靜態模型的質量，或修改動態模型少數單元的質量，使它們不控制穩態時間增量的大小。由于只在分析步起始時執行一次質量縮放，因此該方法的計算效率很高。

Input File Usage:

*FIXED MASS SCALING

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of

step

變比例質量縮放

在分析步中變比例縮放方法同期性地縮放單元質量。當采用此類型的質量縮放方法時，需定義最小的穩態時間增量：質量縮放比例因子自動計算，并按要求施加到單元上。

當分析步中控制穩態時間增量的剛度變化劇烈時，變比例縮放非常有用。準靜態體積成形分析和單元壓縮量很大的動態分析中常會出現這樣的情形。

Input File Usage:

*VARIABLE MASS SCALING

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step

直接定義質量縮放因子

對于動能必須保持很小的準靜態分析中，直接定義質量縮放因子很有用。用戶可以對指定單元組內的所有單元定義一個固定的質量縮放因子。這些單元的質量在分析步開始時被縮放將在整個分析步中保持不變，除非通過變比例質量因子進一步修改質量。

Input File Usage:

*FIXED MASS SCALING, FACTOR=scale_factor

例如，將單元組內的單元質量放大10倍

*FIXED MASS SCALING, FACTOR=10., ELSET=elset

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step,

Scale by factor: scale_factor

定義理想的單元－單元穩態時間增量

對于定比例或變比例質量縮放方法，用戶可以對單元組定義單元－單元穩定時間增量。ABAQUS/Explicit將確定必要的質量縮放因子。定義單元－單元穩態時間增量時，有三種互斥的質量縮放方法可供選擇。下面對各種方法進行詳細闡述。

為了確定各增量步的穩態時間增量，ABAQUS/Explicit首先以單元－單元為基礎確定最小的穩態時間增量。然后，根據模型的最高頻率用全局估計的算法確定穩態時間增量。選用兩種估計值中較大者作為穩態時間增量。一般來說，全局估計器確定的穩態時間增量大于單元－單元估計器確定的值。當采用定比例或變比例質量縮放方法，并且對單元組指定單元－單元穩態時間增量時，直接影響到單元－單元穩態時間增量的估計值。如果模型中所有單元采用單一的質量縮放定義，則單元－單元估計值將等于單元－單元穩態時間增量給定值，除非采用了罰方法強加接觸約束。罰接觸會導致單元－單元估計值比單元－單元穩態時間增量值的給定值略小。由于使用了全局估計器，實際使用的穩態時間增量值可能大于單元－單元穩態時間增量給定值。如果僅對模型的一部分執行質量縮放，沒有經過質量縮放的單元，它們的單元穩態時間增量可能小于單元－單元穩態時間增量的給定值，這些單元將控制單元－單元穩態時間增量的估計值。結果，僅對部分模型進行質量縮放時，時間增量通常都不等于單元－單元穩態時間增量。

如果顯示動態分析步的定比例時間增量尺度是以初始的單元－單元穩態極限為基礎或者直接指定的，將按6.6.3節描述的規則計算使用的時間增量。

均勻縮放質量

對于要求模型的動能保持很小的準靜態分析，均勻縮放質量很有用。這種方法與直接指定比例因子相似。兩種情況下，所有單元的質量都統一地根據單一比例因子進行縮放。然而，用均勻質量縮放方法，質量縮放因子由ABAQUS/Explicit確定，而不是由用戶指定。對所有單元施加均勻的、相同的質量縮放因子，使得這些單元中的最小穩態時間增量等于單元－單元時間增量的給定值,dt。

Input File Usage:

Use either of the following options:

*FIXED MASS SCALING, TYPE=UNIFORM, DT=dt

*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=UNIFORM, DT=dt

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step or

Throughout step, Scale to target time increment of: dt, Scale

element mass: Uniformly to satisfy target:

僅對單元穩態時間增量低于給定值的單元進行質量縮放

僅縮放單元穩態時間增量低于給定值的單元，適用于準靜態分析和動態分析。對于增加關鍵單元的穩態時間增量非常有用。

分析步開始時網格包含了控制穩態時間增量的小單元時，采用定比例的方式縮放這些單元的質量，并且以理想的時間增量開始分析。只增加控制單元的質量意味著可顯著提高穩態時間增量，但對整個模型的影響可以忽略不計。

對于累積變形產生一定數量的小單元的分析過程，采用變比例的方式對這些單元進行質量縮放，從而限制穩態時間增量的下降。

Input File Usage:

Use either of the following options:

*FIXED MASS SCALING, TYPE=BELOW MIN, DT=dt

*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=BELOW MIN, DT=dt

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step or

Throughout step, Scale to target time increment of: dt, Scale

element mass: If below minimum target

通過質量縮放使所有單元具有相等的單元穩態時間增量

對所有單元進行質量縮放，致使它們具有相同的穩態時間增量，有效地影響到模型的特征頻譜。由于會引起質量屬性的劇烈變化，所以這種方法只適用于準靜態分析。并且它意味著某些單元的比例縮放因子可能會小于1。

Input File

Usage:?Use either of the following options:

*FIXED MASS SCALING, TYPE=SET EQUAL DT, DT=dt

*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=SET EQUAL DT, DT=dt

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step or

Throughout step, Scale to target time increment of: dt, Scale

element mass: Nonuniformly to equal target

全局質量縮放和局部質量縮放

對單元組指定定比例或變比例的質量縮放，用于對模型的局部區域進行質量縮放。對于指定的單元組，重復定義質量縮放方法時，局部定義將覆蓋全局定義。

Input File

Usage:?Use either of the following options:

*FIXED MASS SCALING, ELSET=elset

*VARIABLE MASS SCALING, ELSET=elset

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step or

Throughout step, Region: Set: elset

分析步開始時進行質量縮放

定比例質量縮放僅用在分析步開始時指定質量縮放比例，并且通常縮放原始單元的質量。直接定義縮放因子時，用給定的縮放因子進行質量縮放。如果指定單元－單元穩態時間增量dt,基于該值進行質量縮放。如果縮放因子和單元－單元穩態時間增量都指定，首先用質量縮放因子進行縮放，再依據單元－單元穩態時間增量和所選的定比例縮放類型，決定是否再進行縮放。

局部的質量縮放針對特定的單元組定義。如果沒有指定單元組，將對模型中所有單元采用定比例質量縮放。每個單元組只允許使用一個定比例質量縮放。多個定比例縮放包含的單元組不能有重疊部分。對指定單元組定義的局部質量縮放會覆蓋全局質量縮放。

Input File Usage:

*FIXED MASS SCALING, FACTOR=factor, DT=dt, TYPE=type,

ELSET=elset

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step,

Scale by factor: factor, Scale to target time increment of: dt

例：

對某個準靜態分析過程，對模型的所有單元，定義質量縮放因子為50.0。而且，假定定義了該縮放因子后，少數極小的或形狀極差的單元仍影響穩態時間增量，使之小于理想值。為了進一步加大穩態時間增量，用以下選項：

*FIXED MASS SCALING, FACTOR=50., TYPE=BELOW MIN, DT=.5E-6

指定的縮放因子使模型中所有單元的質量放大50倍。如果質量放大50倍之后，仍有單元的穩定時間增量小于0.5*10E-6，這些單元的質量將進一步放在，使得單元的穩態時間增量等于0.5*10E-6

分析步中進行質量縮放

指定單元－單元穩態時間增量的變比例質量縮放方法，可用于分析步起始和整個分析步內。同時，必須指定頻率或間隔數，用來定義質量縮放執行的頻繁程度。不進行質量縮放的增量步中，使用的時間增量一般都不同于單元－單元穩態時間增量的給定值。

可以對特定的單元組定義局部質量縮放，并且每組單元只能定義一次。如果沒有定義單元組，將針對所有單元進行變比例縮放。多個變比例質量縮放所涵蓋的單元組不能重疊。局部質量縮放覆蓋全局質量縮放。

Input File Usage:

*VARIABLE MASS SCALING, DT=dt, TYPE=type, ELSET=elset

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step, Scale

to target time increment of: dt

等增量步間隔進行質量縮放

用戶可以指定兩次質量縮放之間的增量步數。例如，指定頻率為5，表示執行質量縮放的時刻分別為分析步開始、第5、第10、第15個增量步。值得注意的是，選擇過小的頻率會會增加計算時間。

Input File

Usage:?*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=type, DT=dt, FREQUENCY=n

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step, Scale

to target time increment of: dt, Scale: Every n increments

等時間間隔進行質量縮放

另外，可以指定執行質量縮放的時間間隔。例如，對歷時1.0秒的分析步指定時間間隔為5，表示執行質量縮放的時刻分別為分析步開始、0.2秒、0.4秒……、1.0秒。

Input File

Usage:?*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=type, DT=dt, NUMBER INTERVAL=n

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step, Scale

to target time increment of: dt, Scale: At n equal intervals

分析步的開始和過程中采用不同的質量縮放

對于有些情況，理想的做法是在分析步之初采用一種質量縮放方法，而分析過程中進行修改。

Input File Usage:

采用以下兩個選項：

*FIXED MASS SCALING, FACTOR=factor, TYPE=type, DT=dt_init

*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=type, DT=dt_min, FREQUENCY=n

or NUMBER INTERVAL=n

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: At beginning of step

Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step

舉例:?動態沖擊分析中，網格中存在少數尺寸極小或形狀極差的單元，這些單元控制了穩態時間增量。分析步之初，可對這些單元進行質量縮放。此外，沖擊導致部分區域內的網格發生嚴重扭曲。穩態時間增量可能受沖擊區內的單元控制。

實質上，沖擊區內的單元相對于剛性表面是穩態的，選擇性地使用質量縮放方法可以保證整個動態響應不受影響。用指定的時間增量對這些單元進行質量縮放，可以有效地地減少計算時間。

例如，采用定比例質量縮放，指定模型中所有單元的穩態時間增量下限值為1.0E-6。此外，采用變比例質量縮放，指定沖擊區單元(elset1)的穩態時間下限值為0.5E-6。這樣，分析步開始時，檢查所有單元，如果單元的穩態時間增量小于1.0E-6，分別對這些單元進行質量縮放，使之達到1.0E-6。除單元組elset1之外，所有單元在隨后的分析過程中保持該質量縮放。在分析步中，變比例縮放影響單元組elset1，使其穩態時間增量不小于0.5E-6。由于分析過程中只對單元組elset1進行了質量縮放，可能會出現整個模型的穩態時間增量小于0.5E-6的情況。

多分析步中的質量縮放

從一個分析步轉到另一個分析步，質量縮放可以保留，也可以刪除，已經縮放過的單元質量也可以重新初始化。跨分析步應用質量縮放方法，應遵循以下規則：

如果新分析步中沒有重新定義變比例質量縮放方法，前一步定義的變比例質量縮放自動保留。

如果新分析步中沒有重新定義定比例質量縮放方法，前一步分析結束時，無論單元的質量是否經過縮放，都將保留下來。

多步分析中，除了第一步之外，分析步開始時由于使用了質量縮放，單元質量變化較大，可能會影響到質量的計算精度。當單元質量變化較大時，建議新分析步開始時，先用定比例縮放的方法把單元質量重新初始化(使之回到原始值)，然后再定義必要的質量縮放方法。

刪除質量縮放

在當前分析步中定義變比例縮放方法，將刪除前一步中所有的變比例縮放。因此，為了將保留前一步中的變比例縮放，當前分析步中應重新對其進行定義。

Input File Usage:

*VARIABLE MASS SCALING

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Semi-automatic mass scaling, Scale: Throughout step

舉例1

假定在準靜態分析的第一步，單元經歷變形導致穩態時間增量急劇下降。此外，假定第二步的變形對穩態時間沒有明顯影響。

*VARIABLE MASS SCALING, TYPE=BELOW MIN, DT=1.E-5,

FREQUENCY=10

*VARIABLE MASS SCALING

第一步，定義每10個增量步對模型中所有單元進行一次質量縮放，單元－單元穩態時間增量為1 ×

10–5。第二步，沒有進一步采用質量縮放，沿用第一步經過縮放后的單元質量。

重新初始化

對于第一個分析步之外的其他分析步，默認采用定比例縮放重新初始化單元質量，使之回到原始值。這樣，定比例質量縮放可用于防止縮放后的質量用于新的分析步。這種方法適用于從準靜態分析步(需要進行質量縮放)轉到動態分析步(無需進行質量縮放)。

當縮放新分析步中的質量時，可以指定合適的比例因子，或者指定合適的單元－單元穩態時間增量和縮放類型。當僅對部分單元進行質量縮放時，需定義單元組。

Input File

Usage:?Use the following option to reinitialize the mass of the entire

model to its original value for a new step:

*FIXED MASS SCALING

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Reinitialize mass

舉例

假定某個分析過程依次包括準靜態分析和動態分析兩步。在準靜態分析步中執行質量縮放，在動態分析步中關閉該功能。

*FIXED MASS SCALING, TYPE=BELOW MIN, DT=1.E-5

*FIXED MASS SCALING

第一個分析步中，定義分析步開始時整個模型的單元－單元穩態時間增量為1.0 ×

10–5.第二步中采用定比例縮放的方法將質量矩陣重新初始化。

質量縮放適用場合

質量縮放不會影響下列項目：

熱－力耦合中的熱響應結果

重力載荷，粘滯壓力載荷

絕熱分析

材料的狀態方程

流體單元和流體連接器單元

彈簧和阻尼器單元

與以上項目相關的密度保持不變。質量元、旋轉慣量元、無限體和剛性單元也可以進行質量縮放。然而，由于沒有這些單元沒有穩態時間增量，所以它們只能通過兩種方式進行質量縮放，一種是用戶指定比例縮放因子，另一種是施加非均勻的單元－單元穩態時間增量。如果采用后者，則至少有一個單元是有穩態時間增量的。殼和梁的旋轉慣性元就是基于質量縮放。

無限元可進行質量縮放，但是，與變形體相鄰的單元密度必須進行相同比例的縮放，否則邊界不安定。

金屬輥軋成形分析中的自動質量縮放

金屬輥軋成形通常是準靜態過程，但常采用ABAQUS/Explicit進行模擬。為了使求解過程省時，常人為增加產品質量。然而，必須優選質量縮放因子，使質量變化和對應的慣性力的變化不明顯改變計算結果。比例因子選擇過高會產生非準靜態解。選擇過低的比例因子，會導致運行時間過長。“輥軋變比例質量縮放”這一選項可以自動優先該過程的比例因子。

自動策略的基礎是半自動方法，縮放所有的單元質量使它們具有相等的穩態時間增量。該方法從輥軋過程的幾個參數自動計算合適的穩態時間增量目標值。該目標值，

，由以下幾個參數確定：輥軋方向單元的平均長度

，和送料速率V，以及產品截面上節點的個數n。送料速率是輥軋過程中穩態情況下的平均速度。分析過程中調整目標值

，使它與實際的送料速率相匹配。因此，用戶必須指定平均速度的估計值，輥軋方向上單元的平均長度和截面節點的個數。

任何單元的質量都不得小于原始質量。這一點與等單元穩態時間增量的質量縮放方法有所不同。該強制條件意味著，把有慣性效果顯著的輥軋問題當作準靜態問題分析時，不自動調整單元質量。

為了獲得好的計算結果，建議：

采用二維截面拉伸的方法進行網格劃分

輥軋方向上單元長度變化盡可能小

初始的送料速率盡可能接近穩態送料速率

橫截面上的單元尺寸盡小于或等于輥軋方向的單元尺寸

除了輥軋自動變比例質量縮放之外，沒有其它的質量縮放方法

Input File Usage:

*VARIABLE MASS SCALING, ELSET=elset1, FREQUENCY=n, TYPE=ROLLING,

FEED RATE=V, EXTRUDED LENGTH= ,?CROSS SECTION

NODES=n

ABAQUS/CAE Usage:

Step module: Create Step: General, Dynamic, Explicit or Dynamic,

Temp-disp, Explicit: Mass scaling: Use scaling definitions below:

Create: Automatic mass scaling, Feed rate: V, Extruded element

length:?, Nodes in cross section: n8

總結

以上是生活随笔為你收集整理的abaqus质量缩放系数取值_ABAQUS/Explicit质量缩放（MASS SCALING）使用心得  [转simwe]...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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