Mời thảo luận Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

Discussion in 'HYPERWORKS' started by thanhlh84, Feb 11, 2014.

  1. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Chào các bác,

    Em đang nghiên cứu về CAE, và có một số vướng mắc liên quan đến khái niệm Implicit và Explicit. Bác nào cao thủ, có kinh nghiệm có thể chia sẻ ít kinh nghiệm để cùng nhau học hỏi. Về nguyên lý thì em cũng nắm sơ sơ nhưng áp dụng thực tế khó quá. Bác nào có kinh nghiệm thực tế gì bổ xung vào bài viết của em nhé.

    1. Implicit:

    - Chuyển vị(displacement): độc lập với thời gian(const). Vận tốc và gia tốc là đạo hàm của chuyển vị nên sẽ bằng không nên ma trận khối lượng(Mass) và cản (Damping) cũng sẽ bỏ qua.
    - Để giải bài toán FEM sử dụng implicit method, ta cần phải nghịch đảo ma trận độ cứng. Sử dụng phương pháp lặp NewMark hoặc Newton Raphson.
    - Với những bài toán liên quan đến biến dạng lớn(Very large deformation) như phân tích va chạm (Crash analsysis), với hàng triệu bậc tự do, làm cho ma trận độ cứng với kích thước rất lớn. Dẫn đến, việc tính toán sẽ diễn ra rất lâu ngay cả trên máy tính hiệu năng cao (Computational cost).

    2. Explicit
    - Phù hợp cho bài toán phi tuyến (nonlinear analsysis)
    - Chuyển vị là hàm của thời gian( thay đổi theo thời gian).
    - Sử dụng phương pháp lặp vi phân theo thời gian - Central Difference time integration (CDTI). Phương trình chuyển động được xét ở bước thời gian trước t(n-1), thời điểm hiện tại là t.
     
    umy likes this.
  2. headgear

    headgear New Member

    Joined:
    Oct 7, 2013
    Messages:
    45
    Likes Received:
    9
    Ðề: Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

    chào các bạn
    rất vui được trao đổi với mọi người
    đây là các phương pháp số được áp dụng để tìm trạng thái của hệ
    1. explicit: phương pháp hiển, ý là nghiệm của phương trình đã biểu diễn được dưới dạng biểu thức giải tích rồi, chỉ việc tính ra giá trị thôi. Trong đó nghiệm của hệ ở thời điểm sau được tính ra từ nghiệm ở thời điểm trước
    x(t + delta_t) = F(x(t))
    delta_t gọi là bước tính; chỉ cần thay giá trị nghiệm x(t) vào là tính được x(t+delta_t)
    vì lý do đảm bảo độ chính xác, bước tính delta_t thường nhỏ, có nghĩa là để khảo sát hệ trong một khoảng thời gian dài thì phải tính rất nhiều lần
    nếu bạn đã làm phân tích va chạm thì chắc hẳn đã biết rằng, delta_t phụ thuộc vào kích thước phần tử và tính chất vật liệu (E và rho), lý do như sau:
    - ở thời điểm t lực tại 2 node của phần tử là f1, f2 và có một xung lực đang truyền từ node1 đến node2
    - xung lực này truyền đến node2 sau một khoảng thời gian là T0
    - nếu sau khoảng thời gian T0 ta mới tính nghiệm ở trạng thái sau theo f1, f2 thì lúc đó f2 đã thay đổi thành f2' vì xung lực truyền đến tác động vào. và do đó ta bị mắc sai số. vì vậy bắt buộc phải tính thời điểm sau trước khi xung lực truyền đến (lúc đó lực ở node2 vẫn còn đang là f2)
    như vậy bước tính phải nhỏ hơn thời gian truyền xung lực giữa 2 node bất kỳ
    xung lực truyền đi từ node này đến node kia của phần tử với vận tốc sóng âm (phụ thuộc E, rho) nên nếu kích thước phần tử càng nhỏ thì bước tính càng nhỏ

    2. implicit: phương pháp ẩn, ý là trạng thái của hệ ở thời điểm sau vẫn còn là một ẩn số hay biểu thức nghiệm chưa được rút ra
    vì vậy cần giải phương trình trạng thái F(x(t),x(t+delta_t))=0
    điều này nghĩa là implicit cần thêm tác vụ giải phương trình trước khi tính giá trị nghiệm
    tuy nhiên, bước tính delta_t thường lớn do đó cần ít bước tính hơn,
    ví dụ trong bài toán linear static chỉ cần 1 bước tính, hoặc bài toán ổn định phi tuyến (large deformation trong ansys) cũng cần ít bước hơn nếu so với khi giải bằng explicit, bởi vì thời gian gia tăng lực kéo dài
    implicit cũng được ứng dụng cho giai đoạn dynamic relaxation của bài toán động lực phi tuyến
     
    umy and ginb like this.
  3. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Ðề: Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

    Implicit thường được dùng để giải bài toán: Static, Q, Linear dynamic
    Explicit: áp dụng để giải bài toán Crash(Kiểm tra va chạm trong thiết kế oto), Drop Test(thiết kế điện thoại, máy tính), FSI, Blast
     
    umy likes this.
  4. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Ðề: Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

    Cảm ơn bạn headgear rất nhiều. Cách giải thích của bạn hoàn toàn chính xác và thuyết phục.
    Như vậy trong bài toán Crash Analysis chúng ta luôn phải kiểm tra Time Step trước khi đẩy lên Solver để tính toán.
    Time Step phụ thuộc vào đặc tính hình học và vật liệu, cụ thể hơn trong phần mềm FEA:
    - Kích thước nhỏ nhất của mắt lưới (Min Element Size)
    - E
    - Ro
    - Ngoài ra vì mỗi solver có một sai số nên có thể kết quả kiểm tra time step khác nhau đôi chút.

    Có lẽ chính bởi vậy mà chúng ta không thể chia lưới tự động bằng một cú kích chuột như trong demo. Cũng lý do tại sao chúng ta cần công cụ pre-processing như HyperMesh (công cụ chia lưới được sử dụng rộng rãi trong các phòng nghiên cứu và phát triển Oto, hàng không với đòi hỏi mô phỏng độ chính xác cao).

    [​IMG]
     
  5. headgear

    headgear New Member

    Joined:
    Oct 7, 2013
    Messages:
    45
    Likes Received:
    9
    Ðề: Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

    Hi mesians
    mình xin bổ xung thêm:
    về các vấn đề được giải bằng explicit scheme nếu có sự tiếp xúc giữa các vật trong hệ
    thì bước tính có ảnh hưởng đến việc mô tả tiếp xúc. lý do như sau
    -tại thời điểm t một node đang ở gần bề mặt của một vật, vận tốc giữa chúng là v
    -tại thời điểm t+delta_t, node đó tiến gần hơn đến bề mặt
    tưởng tượng nếu như vận tốc v là lớn, node đó có thể đã vượt qua bề mặt tại thời điểm t+delta_t và như vậy có lỗi trong việc mô tả tiếp xúc giữa chúng. để khắc phục, ta phải chọn delta_t nhỏ hơn, để có thể theo dõi được vị trí của node
    Tóm lại, solver chọn timestep theo vật liệu và kích thước phần tử, nhưng bài toán có thể không đúng và người thực hiện phải chọn timestep nhỏ hơn. Nói chung là timestep được chọn phải phụ thuộc vào sự biến thiên (tốc độ biến đổi trạng thái) của hệ

    Khi tên lửa bay với vận tốc càng lớn, rada càng phải quay nhanh để bắt được vị trí và tốc độ của tên lửa.
     
    umy likes this.
  6. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Ðề: Phân biệt Explicit và Implicit trong FEA

    Bổ xung thêm về phương pháp lặp Newton-Raphson (Implicit sử dụng):
    Phương pháp Newton-Raphson rất quan trọng vì nó đảm bảo độ chính xác. Giả sử bước thời gian trong phân tích là rất lớn. Như trong hình ảnh dưới đây, Implicit nonlinear analysis với phương phương pháp N-R, bám rất tốt theo nghiệm chính xác. Trong khi đó, nghiệm của implicit thì tương đối xa so với kết quả chính xác:

    [​IMG]

    Để cho kết quả nghiệm theo phương pháp Explicit chính xác hơn, Time step phải rất nhỏ, nhưng nghiệm cũng chỉ chính xác khi thời gian khảo sát là rất ngắn. Như vậy, Explicit không giữ được độ chính xác trong thời gian rất dài, nhưng trong khoảng thời gian ngắn, độ chính xác là "đủ".

    [​IMG]

    Vậy khi nào dùng implicit và explicit?

    Khi chúng ta muốn mô phỏng một hiện tượng gì đó diễn ra rất nhanh như va chạm (Crash or impact analysis), chúng ta dùng phương pháp implicit analysis.
    http://www.youtube.com/watch?v=SyHyFI97GYA
    http://altairatc.com/europe/presentations/Session10/Session10_PSA_Brachet.pdf

    Nếu chúng ta muốn mô phỏng trạng thái ổn định(steady-state) q, chúng ta dùng Implicit

    Bảng so sánh sau sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn:
    [​IMG]
     
    umy likes this.
  7. pohan

    pohan Member

    Joined:
    Jan 10, 2015
    Messages:
    40
    Likes Received:
    11
    Hi anh Thanh, các video và ảnh hỏng hết rồi, anh có thể fix lại được không ạ?
     
  8. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Tụi Photobucket.com đòi 300 USD/năm nếu muốn đưa ảnh lên diễn đàn. Cả làng I.T đang tẩy chay nên anh cũng chưa biết nên sửa thế nào?
     
    pohan likes this.
  9. umy

    umy Well-Known Member

    Joined:
    Sep 27, 2016
    Messages:
    630
    Likes Received:
    816
    Last edited: Apr 23, 2019
    Bên VUDSE có thảo luận sôi nổi về đề tài nầy; vào đó xem và học thêm !
    https://www.facebook.com/groups/vudse/
    Câu hỏi của Lò Vi Sóng, được nhiều người quan tâm hướng dẩn thêm.
    Được anh Minh Le cho biết:

    trên blog của Ansys không còn entry về explicit, hình này anh copy từ entry đó, trực quan và tiêu biểu về phân loại problems cho solvers implicit hay explicit

    upload_2019-4-23_14-35-2.png

    Được anh Minh Nguyen chỉ dẩn:
    PP Explicit thích hợp cho bài toán có vận tốc/gia tốc lớn và thời gian diễn ra ngắn, chẳng hạn như bài toán va chạm.
    PP Implicit thích hợp hơn với bài toán có vận tốc/gia tốc không quá lớn và thời gian diễn ra lâu hơn.

    Hai phương pháp này khác nhau rất nhiều. Do đó khi sử dụng thì người dùng cần hiểu rõ bản chất của phương pháp và hiểu về các thông số cần nhập vào phần mềm.

    Ví dụ:
    Phương pháp Implicit tìm lời giải phi tuyến bằng giải thuật lặp Newton-Raphson. Người dùng cần phải cài đặt các thông số để phần mềm giải lặp. Trường hợp lời giải không hội tụ thì người dùng cần phải phân tích để xử lý.
    Trong khi đó, phương pháp Explicit không đòi hỏi giải lặp, nên người dùng nói chung sẽ không gặp khó khăn về việc hội tụ. Tuy nhiên, người dùng vẫn phải cân nhắc nhiều yếu tố khác, chẳng hạn như bảo toàn năng lượng, để kết quả được thuyết phục.

    Ngoài ra có vài điều cho biết thêm:
    1) Thuần về Ansys Multiphysics của thầy Swanson chỉ có Implicit .
    Explicit dùng trong modul LS-Dyna (và sau đó có thêm Auto-dyne, CFD ..., các mềm khác, được mua thêm vào !)
    Xem thêm:
    https://www.dynasupport.com/faq/general/what-are-the-differences-between-implicit-and-explicit

    2) Bên Abaqus thì có cả Implicit lẩn Explicit !
    TL hay, xem thêm lưu trử : Comparison of implicit and explicit procedures
    https://mashayekhi.iut.ac.ir/sites/mashayekhi.iut.ac.ir/files/u32/presentation4.pdf

    3) Cho người đam mê FEA >> tự luyện thêm nội công
    What is the difference between implicit and explicit FE analysis?

    https://caendkoelsch.wordpress.com/2016/05/07/blog-3/
     
    ginb, Persious and pohan like this.
  10. thanhlh84

    thanhlh84 Active Member

    Joined:
    Oct 31, 2009
    Messages:
    268
    Likes Received:
    202
    Dưới góc độ cho kỹ sư ứng dụng sợ nhìn phương trình thì có thể phân biệt Implicit và Explicit một cách đơn giản trong vài dòng sau:
    1) Explicit:
    + Thích hợp giải bài toán va chạm (tức là vận tốc "lớn") như xe hơi hay thả rơi điện thoại.
    + Bài toán có nhiều contact phức tạp. Nếu làm bằng Implicit sẽ tính rất lâu
    + Tính toán đến phá hủy
    + Sử dụng phương pháp tích phân theo thời gian nên cần chia cắt mô hình theo bước thời gian "Time step". Time step phải đủ nhỏ để "chụp" được behavior nhưng thời gian tính toán sẽ rất lâu. Do đó cần kiểm soát Min length để cân đối giữa thời gian tính toán và kết quả. Phần mềm chia lưới Hypermesh cực kỳ quan trọng. Ansys hay các phần mềm chia lưới tự động không phù hợp cho các mô hình xe hơi hay điện thoại dạng này. Nên các bạn có thể thấy các công ty Nissan, Toyota, Honda, Samsung, Huawei, LG đều dùng HM để chia lưới sau đó có thể chạy bằng solver khác tùy sở thích.
    + Khi chạy tính toán sẽ thông báo ước lược bao lâu thì tính xong vì cắt theo thời gian.

    Implicit:
    + Thích hợp các bài toán vận tốc chậm (Quasi-static). Ví dụ ứng dụng: Bẻ cong điện thoại (3 point bending test), hay Dent analysis (Cánh cửa xe mở ra va vào xe bên cạnh bị méo. Hay tỳ đè ấn làm biến dạng. Explicit cũng có thể chạy được nhưng thời gian tính toán lâu và đồ thị kết quả khá nhấp nhô (không con trơn do vibration dynamic behavior).
    + Thời gian tính toán nhanh tuy nhiên không biết khi nào xong vì dựa trên nguyên tắc chia nhỏ lực. Chia 10 phần không hội tụ thì mỗi phần chia thêm 10 phần nữa, cứ như thế. Solver có thể kiểm soát sau bao nhiêu lần cắt không được thì thông báo không hội tụ.
    + Khá đau đầu khi xử lý các vấn đề không hội tụ khi kết hợp 3 dạng phi tuyến: Contact +Material+Large deformation(stiffness change when geometry change).
     
    umy, Persious and pohan like this.
  11. umy

    umy Well-Known Member

    Joined:
    Sep 27, 2016
    Messages:
    630
    Likes Received:
    816
    Last edited: May 19, 2019

    ANSYS
    Explicit Dynamics analysis software provides simulation technology to help simulate structural performance long before manufacture. CAE Associates offers ANSYS LS-DYNA, ANSYS AUTODYN, and ANSYS Explicit STR software solutions that solve complex physical problems by simulating physical events that may be difficult or costly to conduct in a test environment. ANSYS explicit dynamics analysis software solutions are capable of solving short-duration, large-strain, large-deformation, fracture, complete material failure, and structural problems with complex contact interactions.

    Tài Liệu xem thêm:
    https://www.ansys.com/-/media/ansys...hure/ansys-explicit-dynamics-brochure-140.pdf
     
    pohan likes this.

Share This Page

Users Viewing Thread (Users: 0, Guests: 0)

Loading...