COMSOL接触（高度非线性）仿真常见报错及解决方法总结

前言

        由于COMSOL采用隐式求解器，相较于使用显式求解器的Dyna、Abaqus等软件。要在COMSOL中实现结构接触这一高度非线性问题难度较大，报错时有发生。究其原因，是当物体之间相互接触时，物体受到的应力、运动路径会发生突变，这使得仿真容易在模型开始接触时报错。因此，对COMSOL求解器及模型结构进行合理地设置避免报错是十分必要的。
        本文共总结了三种常见报错，以及六种可能解决该问题的调试方法，以期在COMSOL中实现高度非线性问题建模（接触等）。

一、模型介绍

        此模型来源于文章复现。二维板件接触仿真模型，等效电路为二阶RLC电路。当脉冲电流通入线圈时，板件受到电磁力的作用发生塑性形变。当两板件的形变位移之和达到板件间隙距离时就会发生高速碰撞。该模型复现初期，在未优化之前仿真到接触时刻均会报错。

        具体文章细节可查看知网链接：针对H型线圈的电磁脉冲焊接仿真及线圈截面结构影响分析

二、常见报错

1、非线性求解器不收敛，达到最大牛顿迭代次数；
2、无法计算弹塑性应变变量；
3、重复误差测试失败，可能已达到奇点。

三、解决方法

3.1 检查网格质量

        模型剖分的网格质量低很容易报错，出现报错时首先要检查网格质量。检查网格质量的方法为选择网格-统计信息。检查单元质量直方图最左侧是否有点。如果有说明网格质量很低，需要对网格进行优化。

网格信息统计

单元质量直方图

3.2 设置变量的缩放比例

        由于软件自动确定的比例因子不一定合理，因此需要手动设置变量的缩放因子。该模型板件开始接触时的最大应力为4.56×108 N/m2，因此将接触压力的比例因子设置为1e8。设置方法为选择研究-求解器配置-解-因变量-接触压力。
        具体可参考COMSOL官网提供的解决方法：手动设置变量的缩放比例

3.3 局部细化求解步长

        当板件开始碰撞时，板件受到的应力及运动路径会发生突变，即模型的运动状态会发生突变。当这种变化过大时，仿真很容易报错。解决方法是使用更短的计算步长使这种过渡更平滑。而计算步长过短会使计算效率降低，因此可以对模型开始接触时的一小段时间的计算步长进行局部细化。
        如该模型板件在7.4us时发生碰撞，因此将7us~8us的步长设置为0.01us，其余时间段步长设置为0.05us，设置方法如下图所示。经过一段时间的测试，我认为这种方法是解决模型接触仿真报错最有效的方法。
        具体可参考COMSOL官网提供的解决方法： 错误：无法计算弹塑性应变变量

3.4 设置瞬态求解器

        瞬态求解器采用全耦合子特征，定位到方法和终止栏。将雅可比矩阵更新设置为在每次迭代中，并将最大迭代次数增加到25或更大的值。设置方法如下图。
        具体可参考COMSOL官网提供的解决方法： 提高非线性瞬态模型的收敛性

3.5 设置合适的初始接触压力

        该模型板件开始接触时的最大应力为4.56×108 N/m2，因此设置接触压力初始值为1e8。设置方法为选择固体力学-接触-初始值。

3.6 局部细化几何尖锐部位的网格

        自适应网格难以划分尖角部位，可以局部细化较为尖锐部位的网格。如果该部位不重要的话，可以考虑去除。这也是提高求解收敛性的常见方法。具体可参考链接: comsol出现奇点怎么办。若将二维板件四个顶点倒圆角处理后按前述方法统计网格信息，网格质量得到了明显提高。

总结

        以上就是今天要分享的内容，以一个接触仿真模型为例，对网上COMSOL接触仿真报错解决方法进行了整理，同样适用于高度非线性模型的调试，希望对您的学习有所帮助。欢迎留言讨论及点赞、收藏。