MMS收敛次数的计算方法

分类:分析 | 综合版 2026-04-06
CAE visualization for mms convergence rate theory - technical simulation diagram
MMS收敛次数的计算方法

MMS收敛次数计算方法的理论基础

概要

🧑‍🎓

老师!今天是讲MMS收敛次数的计算方法,对吗?这是什么呢?


🎓

L2范数离散化误差评估和log-log曲线图收敛次数计算技术。与理论次数对比检测实现缺陷。



🧑‍🎓

也就是说在范数的地方偷工减料的话,后面会吃大亏啊。要牢记在心!


支配方程




$$ p_{obs} = \frac{\log(E_2/E_1)}{\log(h_2/h_1)} $$
$$ E = \left(\int_{\Omega}(u_h-u_{mms})^2\,d\Omega\right)^{1/2} $$




离散化手法

🧑‍🎓

这个方程在计算机上实际如何求解呢?


🎓

使用有限元法(FEM)进行空间离散化。组装单元刚度矩阵,构建整体刚度方程。


🎓

进行弱形式(变分形式)变换,用试验函数和形状函数采用Galerkin法进行定式化。单元类型的选择(低阶单元 vs. 高阶单元完全积分 vs. 低减积分)直接关系到解的精度和计算成本的权衡。




矩阵求解算法

🧑‍🎓

矩阵求解算法具体是什么意思呢?


🎓

直接法(LU分解Cholesky分解)或迭代法(CG法GMRES法)求解线性方程组。对于大规模问题,预处理迭代法效果显著。



求解法分类内存使用适用规模
LU分解直接法O(n²)小~中等规模
Cholesky分解直接法(对称正定)O(n²)小~中等规模
PCG法迭代法O(n)大规模
GMRES法迭代法O(n·m)大规模·非对称
AMG预处理预处理O(n)超大规模
🧑‍🎓

也就是说在有限元法的地方偷工减料的话,后面会吃大亏啊。要牢记在心!


商用工具中的实现

🧑‍🎓

那么做MMS收敛次数的计算方法需要用什么软件呢?


工具名开发商/现在归属主要文件格式
MSC Nastran / NX NastranMSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software).bdf, .dat, .f06, .op2, .pch
Abaqus FEA (SIMULIA)Dassault Systèmes SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
Ansys Mechanical (旧ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
Ansys FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
Simcenter STAR-CCM+Siemens Digital Industries Software.sim, .java, .csv
COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
OpenFOAM开源(OpenCFD/ESI、OpenFOAM Foundation)字典文件(blockMeshDict等), .foam

供应商系谱和产品整合过程

🧑‍🎓

各个软件的形成过程,是不是有不少戏剧性的故事呢?



MSC Nastran / NX Nastran

🧑‍🎓

接下来是MSC Nastran的故事。内容是什么呢?


🎓

NASA结构分析(NASTRAN)在1960年代开发。MSC Software进行商业化,后来UGS(现Siemens)派生出NX Nastran。MSC在2017年被Hexagon AB收购。

现在所属:MSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software)



Abaqus FEA (SIMULIA)

🧑‍🎓

Abaqus FEA具体是什么意思呢?


🎓

1978年由HKS (Hibbitt, Karlsson & Sorensen) 开发。2005年被Dassault Systèmes收购,整合到SIMULIA品牌。

现在所属:Dassault Systèmes SIMULIA


🧑‍🎓

等等等等,结构分析的话,这样的情况也能用吗?



Ansys Mechanical (旧ANSYS Structural)

🧑‍🎓

"Ansys Mechanical"请给我讲讲!


🎓

1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI) 开发。基于APDL(Ansys参数化设计语言)。

现在所属:ANSYS Inc.


🧑‍🎓

哦!结构分析的话题,超级有意思!请多讲一些。


文件格式和互操作性

🧑‍🎓

在不同软件之间传递数据时有什么注意的地方吗?


格式扩展名类型概述
STEP.stp/.step中立CAD符合ISO 10303的3D CAD数据交换格式。形状+PMI支持。
IGES.igs/.iges中立CAD初期CAD数据交换规范。曲面数据兼容性有问题。正在向STEP迁移。
VTK.vtk/.vtu可视化Visualization Toolkit格式。供ParaView等使用。
🎓

在不同求解器间转换模型时,要注意单元类型的对应关系、材料模型的兼容性、荷载和边界条件的表达差异。特别是高阶单元或特殊单元(内聚单元、用户定义单元等)往往无法直接在求解器间转换。


🧑‍🎓

原来...格式看起来简单但实际上很深奥啊。


实务上的注意事项

🧑‍🎓

有什么"现场知识",教科书上没有的东西吗?


🎓

网格收敛性验证、边界条件合理性验证、材料参数敏感性分析都超级重要。


🎓
  • 网格依赖性验证:至少用3个网格密度水平确认收敛性
  • 边界条件合理性:设置具有物理意义的约束条件
  • 结果验证:与理论解、试验数据、已知基准问题对比



  • 🎓

    嗯,加油!实际动手是最好的学习方法。有不懂的地方随时问我。


    验证数据的可视化

    定量比较理论值和计算值。相对误差在5%以内为合格标准。

    评估项理论值/参考值计算值相对误差 [%]判定
    最大位移1.0000.998
    0.20
    PASS
    最大应力1.0001.015
    1.50
    PASS
    固有振动数(1阶)1.0000.997
    0.30
    PASS
    反力合计1.0001.001
    0.10
    PASS
    能量守恒1.0000.999
    0.10
    PASS

    判定标准:相对误差 < 1%: 优良,1~5%: 许可,> 5%: 需检讨

    MMS收敛次数计算方法的数值计算手法

    数值手法详述

    🧑‍🎓

    具体用什么算法来求解MMS收敛次数的计算方法呢?



    🧑‍🎓

    那么如果收敛次数的计算方法做好了,是不是基本就没问题啊?


    离散化的定式化



    🎓

    形状函数 $N_i$ 近似未知量:



    $$ u^h(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} N_i(\mathbf{x}) \, u_i $$




    🎓

    用公式表示的话是这样。


    $$ K_e = \int_{\Omega_e} B^T \, D \, B \, d\Omega \approx \sum_{g=1}^{n_g} w_g \, B^T(\xi_g) \, D \, B(\xi_g) \, |J(\xi_g)| $$

    基础方程的离散形式


    🎓

    用公式表示的话是这样。


    $$ p_{obs} = \frac{\log(E_2/E_1)}{\log(h_2/h_1)} $$
    $$ E = \left(\int_{\Omega}(u_h-u_{mms})^2\,d\Omega\right)^{1/2} $$

    🧑‍🎓

    嗯,单纯看式子不太明白...表示什么呢?


    🎓

    连续体的支配方程离散化后,得到以下代数方程组:



    $$ [K]\{u\} = \{F\} $$


    🎓

    这里 $[K]$ 是全体刚度矩阵(或等价的系统矩阵),$\{u\}$ 是未知节点变量向量,$\{F\}$ 是外力向量。


    🧑‍🎓

    啊,是这样啊!连续体的支配方程就是这样一个机制啊。


    单元技术

    🧑‍🎓

    "单元技术"听过但可能理解得不完全......


    单元类型阶数节点数(3D)精度计算成本
    四面体1阶线性4低(剪切锁定)
    四面体2阶二次10
    六面体1阶线性8
    六面体2阶二次20非常高
    棱柱体线性/二次6/15中~高

    积分方案

    🧑‍🎓

    积分方案具体是什么意思呢?


    🎓
    • 完全积分:精确积分所有项。刚度过度评估的倾向(锁定
    • 低减积分:削减积分点数。计算效率提高,但有沙漏模式风险
    • 选择低减积分 (B-bar法):体积项和偏差项分离积分。回避锁定

    • 🧑‍🎓

      听到这里,终于明白为什么单元类型这么重要了!


      收敛性和稳定性

      🧑‍🎓

      不收敛的时候,首先要检查什么呢?


      🎓
      • h-加密:细分网格(减小单元尺寸h)以提高精度
      • p-加密:提高单元的多项式阶数以提高精度
      • hp-加密:同时优化h和p

      • 🎓

        收敛速度:二阶单元误差以$O(h^2)$的数量级减少(光滑解的情况)


        🧑‍🎓

        原来...网格加密看起来简单但实际上很深奥啊。


        求解器设置建议

        🧑‍🎓

        具体用什么算法来求解MMS收敛次数的计算方法呢?


        参数推荐值备注
        迭代法收敛判定$10^{-6}$残差范数标准
        预处理手法ILU(0) or AMG取决于问题规模
        最大迭代次数1000不收敛时需调整设置
        内存模式In-core尽可能

        低阶单元

        计算成本低、实现简单,但精度受限。粗网格会产生较大误差。

        高阶单元

        用相同网格达到更高精度。计算成本增加,但所需单元数往往减少。

        牛顿-拉夫逊法

        非线性问题的标准手法。在收敛半径内为2阶收敛。$||R|| < \epsilon$ 时收敛判定。

        时间积分

        显式法:条件稳定(CFL条件)。隐式法:无条件稳定但每步需求解线性方程组。

        验证数据的可视化

        定量比较理论值和计算值。相对误差在5%以内为合格标准。

        评估项理论值/参考值计算值相对误差 [%]判定
        最大位移1.0000.998
        0.20
        PASS
        最大应力1.0001.015
        1.50
        PASS
        固有振动数(1阶)1.0000.997
        0.30
        PASS
        反力合计1.0001.001
        0.10
        PASS
        能量守恒1.0000.999
        0.10
        PASS

        判定标准:相对误差 < 1%: 优良,1~5%: 许可,> 5%: 需检讨

        MMS收敛次数计算方法的实务应用

        实践指南

        🧑‍🎓

        老师,"实践指南"请给我讲讲!


        🎓

        讲解MMS收敛次数计算方法的实务分析流程和注意事项。


        🧑‍🎓

        前辈说"收敛次数的计算方法一定要好好做",现在理解意思了。


        分析流程

        🧑‍🎓

        从头开始请教我!从什么开始好呢?


        🎓

        1. 预处理 (前期处理)

        • CAD数据导入和形状简化
        • 材料特性定义
        • 网格生成(单元类型·尺寸的决定)
        • 边界条件和荷载条件的设置

        🎓

        2. 求解 (求解)

        • 求解器设置(求解方法、收敛基准、输出控制)
        • 作业投入和计算执行
        • 收敛监控

        🎓

        3. 后处理 (后期处理)

        • 结果的可视化(位移、应力、其他物理量)
        • 结果验证和合理性确认
        • 报告制作


        网格生成的最佳实践

        🧑‍🎓

        网格的好坏怎么判断呢?



        单元品质指标

        🧑‍🎓

        "单元品质指标"请给我讲讲!


        指标理想值许可范围影响
        纵横比1.0< 5.0精度下降
        雅可比行列式比1.0> 0.3单元退化
        翘曲< 15°精度下降
        歪斜度< 45°收敛性恶化
        锥形比0< 0.5精度下降

        网格密度的确定

        🧑‍🎓

        网格密度的确定具体是什么意思呢?


        🎓
        • 应力集中部:至少配置3层以上的单元
        • 应力梯度大的区域:单元尺寸改为周围的1/3~1/5
        • 荷载印加点近傍:局部细分化
        • 远方区域:粗网格保证计算效率


        • 边界条件设置指导

          🧑‍🎓

          边界条件啊,听说这里弄错全部都完蛋……


          🎓
          • 注意过拘束:刚体运动约束仅为6自由度
          • 对称条件的活用:计算规模削减
          • 荷载的等价分配:集中荷载 vs. 分布荷载的选择

          • 🧑‍🎓

            啊,是这样啊!过拘束注意就是这个机制啊。


            商用工具的实现步骤

            🧑‍🎓

            有各种各样的软件吧?各自的特点请给我讲讲!


            工具名开发商/现在归属主要文件格式
            MSC Nastran / NX NastranMSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software).bdf, .dat, .f06, .op2, .pch
            Abaqus FEA (SIMULIA)Dassault Systèmes SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
            Ansys Mechanical (旧ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
            Ansys FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
            Simcenter STAR-CCM+Siemens Digital Industries Software.sim, .java, .csv
            COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
            OpenFOAM开源(OpenCFD/ESI、OpenFOAM Foundation)字典文件(blockMeshDict等), .foam

            MSC Nastran / NX Nastran

            🧑‍🎓

            接下来是MSC Nastran的故事。内容是什么呢?


            🎓

            NASA结构分析(NASTRAN)在1960年代开发。MSC Software进行商业化,后来UGS(现Siemens)派生出NX Nastran。MSC在2017年被Hexagon AB收购。

            现在所属:MSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software)



            Abaqus FEA (SIMULIA)

            🧑‍🎓

            先生的说明真清楚!软件名的疑惑消散了。


            常见失败和对策

            🧑‍🎓

            初学者容易犯什么错误?事先想知道!


            症状原因对策
            计算不收敛网格品质不足、边界条件不适当网格改善、约束条件调整
            应力异常大应力奇异点、网格依赖奇异点回避、局部网格细分
            位移不现实材料常数误差、单位系不一致输入数据确认
            计算时间过长不必要的细分、低效求解法网格优化、并行计算

            质量保证检查清单

            🧑‍🎓

            有什么"现场知识",教科书上没有的东西吗?


            🎓
            • 用3个以上网格密度水平确认了网格收敛性吗
            • 验证了力的平衡(反力合计)吗
            • 确认了结果在物理上合理范围内吗
            • 与已知理论解或基准问题进行对比了吗



            • 🎓

              嗯,加油!实际动手是最好的学习方法。有不懂的地方随时问我。


              验证数据的可视化

              定量比较理论值和计算值。相对误差在5%以内为合格标准。

              评估项理论值/参考值计算值相对误差 [%]判定
              最大位移1.0000.998
              0.20
              PASS
              最大应力1.0001.015
              1.50
              PASS
              固有振动数(1阶)1.0000.997
              0.30
              PASS
              反力合计1.0001.001
              0.10
              PASS
              能量守恒1.0000.999
              0.10
              PASS

              判定标准:相对误差 < 1%: 优良,1~5%: 许可,> 5%: 需检讨

              MMS收敛次数计算方法的软件比较

              商用工具对比

              🧑‍🎓

              有各种各样的软件吧?各自的特点请给我讲讲!


              🎓

              对应MMS收敛次数计算方法的主要商用CAE工具的功能比较和各产品的历史背景详述。


              🧑‍🎓

              那么如果收敛次数的计算方法做好了,是不是基本就没问题啊?


              支持工具列表

              🧑‍🎓

              那么做MMS收敛次数的计算方法需要用什么软件呢?


              工具名开发商/现在归属主要文件格式
              MSC Nastran / NX NastranMSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software).bdf, .dat, .f06, .op2, .pch
              Abaqus FEA (SIMULIA)Dassault Systèmes SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
              Ansys Mechanical (旧ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
              Ansys FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
              Simcenter STAR-CCM+Siemens Digital Industries Software.sim, .java, .csv
              COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph
              OpenFOAM开源(OpenCFD/ESI、OpenFOAM Foundation)字典文件(blockMeshDict等), .foam

              MSC Nastran / NX Nastran

              🧑‍🎓

              接下来是MSC Nastran的故事。内容是什么呢?


              🎓

              NASA结构分析(NASTRAN)在1960年代开发。MSC Software进行商业化,后来UGS(现Siemens)派生出NX Nastran。MSC在2017年被Hexagon AB收购。

              现在所属:MSC Nastran(Hexagon)、NX Nastran(Siemens Digital Industries Software)



              Abaqus FEA (SIMULIA)

              🧑‍🎓

              Abaqus FEA具体是什么意思呢?


              🎓

              1978年由HKS (Hibbitt, Karlsson & Sorensen) 开发。2005年被Dassault Systèmes收购,整合到SIMULIA品牌。

              现在所属:Dassault Systèmes SIMULIA


              🧑‍🎓

              等等等等,结构分析的话,这样的情况也能用吗?



              Ansys Mechanical (旧ANSYS Structural)

              🧑‍🎓

              先生的说明真清楚!


              🎓

              1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI) 开发。基于APDL(Ansys参数化设计语言)。

              现在所属:ANSYS Inc.



              Ansys Fluent

              🧑‍🎓

              接下来是Ansys Fluent的故事。内容是什么呢?


              🎓

              Fluent Inc.开发。2006年被Ansys收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

              现在所属:Ansys Inc.


              🧑‍🎓

              哦!结构分析的话题,超级有意思!请多讲一些。


              功能比较矩阵

              🧑‍🎓

              预算和时间都有限,成本性价比最高的是哪个呢?


              功能NastranAbaqusAnsys MechanicalFluent
              基础功能
              高级功能
              自动化/脚本
              并行计算
              GPU支持

              转换时的风险

              🧑‍🎓

              转换时的风险具体是什么意思呢?


              🎓
              • 单元类型的不兼容:求解器固有单元无法用中立格式表现
              • 材料模型的差异:同名但内部实现不同的情况
              • 边界条件的重新定