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1、ABAQUS入门使用手册一、前言ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有惊人的广泛的模拟能力。它拥有大量不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等。可以进行结构的静态与动态分析，如：应力、变形、振动、冲击、热传递与对流、质量扩散、声波、力电耦合分析等；它具有丰富的单元模型，如杆、梁、钢架、板壳、实体、无限体元等；可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、聚合物、复合材料、塑料、钢筋混凝土、弹性泡沫，岩石与土壤等。对于多部件问题，可以通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将它们组合成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性问题，用户仅需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件、
2、荷载工况等工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛准则，它不仅能自动选择这些参数的值，而且在分析过程中也能不断调整这些参数值，以确保获得精确的解答。用户几乎不必去定义任何参数就能控制问题的数值求解过程。1.1 ABAQUS产品ABAQUS由两个主要的分析模块组成，ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。前者是一个通用分析模块，它能够求解广泛领域的线性和非线性问题，包括静力、动力、构件的热和电响应的问题。后者是一个具有专门用途的分析模块，采用显式动力学有限元格式，它适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题，此外，它对处理改变接触条件的高
3、度非线性问题也非常有效，例如模拟成型问题。ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)它是ABAQUS的交互式图形环境。通过生成或输入将要分析结构的几何形状，并将其分解为便于网格划分的若干区域，应用它可以方便而快捷地构造模型，然后对生成的几何体赋予物理和材料特性、荷载以及边界条件。ABAQUS/CAE具有对几何体划分网格的强大功能，并可检验所形成的分析模型。模型生成后，ABAQUS/CAE可以提交、监视和控制分析作业。而Visualization（可视化）模块可以用来显示得到的结果。1.2 有限元法回顾任何有限元模拟的第一步都是用一个有限元（Finite El
4、ement）的集合来离散（Discretize）结构的实际几何形状，每一个单元代表这个实际结构的一个离散部分。这些单元通过共同节点（Node）来连接。节点与单元的集合称为网格（Mesh）。在一个特定网格中的单元数目称为网格密度（Mesh Density）。在应力分析中，每个节点的位移是ABAQUS计算的基本变量。一旦节点位移已知，每个单元的应力与应变就可以很容易求出。使用隐式方法求解位移如下图所示，桁架及其离散化模型。图1-5所示为模型中每个节点的分离图。根据内力、材料性能和位移的关系，列出每个节点的平衡方程，这些平衡方程需要同时进行求解以获得每个节点的位移。求解采用矩阵形式。一旦位移求出后，
5、就能利用位移返回计算出桁架单元的应力。显示方法与隐式方法不同，例如应用在ABAQUS/Explicit中的显示方法，并不需要求解一套方程组或计算整体刚度矩阵。求解式通过动态方法从一个增量步前推到下一个增量步得到的。二、ABAQUS基础一个完整的ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、模拟计算和后处理。前处理阶段需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件，使用ABAQUS/CAE或其他软件完成；模拟计算阶段使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式
6、运行；完成模拟计算得到基本变量后，就可以对计算结果进行评估，通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他后处理软件在图形环境下交互式进行。2.1 ABAQUS分析模块的组成一个分析模型至少包括以下信息：离散化的几何形体、单元截面特性（element section properties）、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。下面分别做以介绍。2.1.1 离散化的几何形体单元和节点定义了模型的基本几何形状。单元代表物理结构的离散部分，许多单元依次相连组成了结构，单元间通过公共节点彼此相互联结，模型的几何形状由节点坐标和节点所属单元的联结所确定。模型中所有单元和节点的集合称为网格（mesh
7、）。通常，网格只是实际结构几何形状的近似表达。网格中单元类型、形状、位置和所有单元的总数都会影响模拟计算的结果。一般说来，网格密度越高（网格中单元数量越多），计算结果越精确，但用于分析计算的时间也会增加。通常，数值计算是所模拟物理问题的近似解，近似程度取决于模型的几何形状、材料特性、边界条件和载荷对物理问题描述的准确程度。2.1.2 单元特性后面几章会详细讲述。2.1.3 材料数据必须指定所有单元的材料特性。ABAQUS计算结果的有效性受材料数据的准确程度和范围的制约。2.1.4 载荷和边界条件最常见的载荷形式包括：点载荷；表面压力载荷；体力，如重力；热载荷等。应用边界条件可以使模型的某一部分
8、受到约束而保持固定（零位移）或使其移动指定大小的位移值（非零位移）。没有约束的刚体位移会导致刚度矩阵产生奇异（singularity）（刚度矩阵的行列式为零）。在求解中，求解器发生问题，此时，ABAQUS/Standard将发出警告信息。应学会解读这些错误信息。如果在静态应力分析时遇到警告信息“numerical singularity”（数值奇异）或“zero pivot”（主元素为零），用户必须检查是否整个或者部分模型缺少限制刚体平动或转动的约束。在动态分析中，由于结构模型中的所有分离部分都具有一定的质量，其惯性力可防止模型产生无限大的瞬时运动，因此，在动力分析中，求解器的警告信息通常提示
9、了某些其他的模拟问题，如过度塑性。2.1.5 分析类型这里主要讲两种最常见的类型：静态（static）和动态（dynamic）应力分析。静态分析获得的是外载荷作用下结构的长期相应。其他情况下，可能用户关心的是结构的动态响应。例如冲击对部件的影响，或在地震时建筑物的响应。2.1.6输出要求为了避免过多信息占用磁盘空间，用户可根据需要对输出数据进行限制。通常用ABAQUS/CAE等前处理工具来定义模型中必要的输出信息。2.2 ABAQUS/CAE简介2.2.1 启动ABAQUS/CAEABAQUS/CAE启动后，会出现Start Session对话框，选项含义：Create Model Datab
10、ase，开始一个新的分析；Open Database，打开一个以前存储过的模型或输出数据库文件；Run Script，运行一个包含ABAQUS/CAE命令的文件；Start Tutorial，从在线文档中启动辅导教程。2.2.2 主窗口的组成部分标题栏（Title bar）菜单栏（Menu bar）工具栏（Tool bar）环境栏（Context bar）工具箱区（Toolbox bar）：显示某一功能模块相应的工具，竖放的那个。画布和作图区（Canvas and drawing area）视区（Viewport）提示区（Prompt area）：提示下一步的工作。信息区（Message ar
11、ea），或命令行接口（Command line interface），通过下面两个按钮就行二者间的切换。2.2.3 什么是功能模块每一个模块（module）只包含与模拟作业的某一指定部分相关的一些工具，如Mesh模块，Job模块等。如下图所示。用户可以从上图环境栏的Module（模块）列表中选择各个模块。列表中模块次序与创建一个分析模型应遵循的逻辑次序是一致的。大多数情况下，用户必须遵循这个次序来完成模拟作业。例如，用户在生成Assembly（装配件）前必须先生成Part（部件）。ABAQUS/CAE也允许用户在任何时刻选择任一个模块进行工作，而无需顾及模型的当前状态。下面对各个模块进行的模拟
12、任务做一简单介绍。 Part（部件）：用于创建各个独立的部件。 Property（特性）用户可以定义截面和材料，并将它们赋予（assign）部件的某一部分。 Assembly（装配）创建部件的实例，并将这些实例相对于其他部件定位在总体坐标系中，这样就构成了装配件。 Step（分析步）生成和构成分析步骤，并与输出需求联系起来。分析步序列为实现模拟过程的变化（如载荷和边界条件的变化）提供了方便途径。根据需要，在分析步之间可以改变输出变量。 Interaction（相互作用）可以指定模型各区域之间或者模型的一个区域与周围区域之间在热学和力学上的相互作用，一个例子就是两个表面之间的接触。其他可以定义的
13、相互作用包括约束，例如绑定（tie），方程（equation）和刚体（rigid body）约束。除非在相互作用模块中指定接触，否则ABAQUS/CAE不会自动识别部件实体之间或一个装配件的各区域之间的力学接触关系。在一个装配件中，仅指定表面之间某种类型的相互作用，对于描述两个表面的实际接近程度实不够的。相互作用与分析步相关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。 Load（载荷）指定载荷、边界条件和场变量。载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户必须指定载荷和边界条件在哪些分析步中起作用。某些场变量与分析步有关，而其他的场变量仅仅作用于分析的开始阶段。 Mesh（网格）进行网格
14、划分。包含为装配件创建有限元网格剖分的工具。利用所提供的各个层次上的自动剖分和控制工具，用户可以生成满足自己要求的网格。 Job（作业）生成（create）一个作业并提交进行分析计算。一旦完成了所有定义模型的任务，用户便可以用Job模块分析计算模型。作业模块允许用户交互地提交分析作业并监控其过程。多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。 Visualization（可视化）观察分析结果。提供了有限元模型和分析结果的图形显示。通过Step模块可以修改输出需求，用户可以控制写入输出数据库中的信息。 Sketch（草图）它是二维轮廓图形，用来帮助形成几何形状，定义ABAQUS/CAE可识别的部件。应
15、用该模块创建草图，定义平面部件、梁、剖面，或者创建一个草图，然后通过拉伸、扫掠或者旋转等方式将其形成三维部件。在Module列表中选择一个模块，将使菜单栏、工具栏和环境栏发生变化，以反映当前模块的功能。2.3 有关例题的学习思考一般地，计算一个模型地过程如下：2.3.1 单位系统在开始定义一个模型之前，需要确定所采用的单位系统。ABAQUS没有固定地单位系统，所有地输入数据必须指定一致性的单位系统。该手册均采用SI单位系统（国际单位制，米制体系）。如果用户工作在标记“US Unit”的单位系统，必须小心其密度的单位，在材料性质的手册中给出的密度往往是与重力加速度相乘后的值。某些常用的一致性单位系统列于下表。2.3.2 创建部件应用Part（部件）模块创建分析模型的每个部件。部件定义了模型各部分的几何形体，因此，它们是创建ABAQUS/CAE模型的基本构件。当部件创建后，仍可对其进行编辑和重新命名，但是其模拟空间（modeling space）、类型（type）、或者基本类型（base feature）不能改变。键入对话框底部在Approximate size域内的这个参考值，设定了新部件的大致尺寸，ABAQUS/CAE采用这个
