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ABAQUS入门使用手册
ABAQUS简介:ABAQUS是一套先进的通用有限元程序系统,这套软件的
目的是对固体和结构的力学问题进行数值计算分析,而我们将其用于材料的计算
机模拟及其前后处理,主要得益于ABAQUS给我们的ABAQUS/Standard及
ABAQUS/Explicit通用分析模块。
ABAQUS有众多的分析模块,我们使用的模块主要是ABAQUS/CAE及
Viewer,前者用于建模及相应的前处理,后者用于对结果进行分析及处理。下面将
对这两个模块的使用结合本人的体会做一些具体的说明:
CAE模块用于分析对象的建模,特性及约束条件的给定,网格的划分以及数
据传输等等,其核心由七个步骤组成,下面将对这七个步骤作出说明:
(1)Part→Creat
ModelingSpace:①3D代表三维②2D代表二维③Aaxisymmetric代表轴对称,这
三个选项的选定要视所模拟对象的结构而定。
Type:①Deformable为一般选项,适合于绝大多数的模拟对象。②Discreterigid
和Analyticalrigid用于多个物体组合时,与我们所研究的对象相关的物体上。
ABAQUS假设这些与所研究的对象相关的物体均为刚体,对于其中较简单的刚
体,如球体而言,选择前者即可。若刚体形状较复杂,或者不是规则的几何图形,
那么就选择后者。需要说明的是,由于后者所建立的模型是离散的,所以只能是
近似的,不可能和实际物体一样,因此误差较大。
Shape中有四个选项,其排列规则是按照维数而定的,可以根据我们的模拟对象
确定。
1:.
Type:①Extrusion用于建立一般情况的三维模型②Revolution建立旋转体模型③
Sweep用于建立形状任意的模型。
Approximatesize:在此栏中设定作图区的大致尺寸,其单位与我们选定的单位一
致。
设置完毕,点击Continue进入作图区。
(2)Part→Creat→Continue
这时,使用界面左侧的工具栏便可以作出点、线、面以组成我们所需要的图形。
至此,PART步的基本功能及作用介绍完毕。当然,PART首界面中还有其他几
个栏目,如SHAPE选项用于构造较复杂的物体形状,FEATURE和TOOL为一
般性工具,将在以后作介绍,在此不在熬叙。
:在此步中赋予研究对象的力,热,化及材料本身的性能。
(1)Material→creat
2:.
(2)Material→creat→continue
可以根据需要对上面框图的选项进行选择,如选择Machanical→Elasticity→
Elastic表示材料为弹性材料,其选择结果如下:
3:.
Suboption:用于当材料断裂时,对其断裂处的应力应变进行限制,当应力应变达
到所给定值时,即断裂。
Long-time:其中有两个选项,分别用于材料受到持续力和瞬时力作用的两种情况。
DATA:此处输入材料给定的杨氏模量和泊松比的值。其单位与先前给定的单位
一致。
定义完物体的材料特性,接下来就要选择这种材料所对应的物体了。
(3)Section→Creat
4:.
首先,可以用上述命令创建一个实体。将其命名为Plane.
Category:可以根据所研究对象的形状确定这四个选项。
Type:①Homogeneous:适用于组成材料分布且变形均匀的物体,包括平面应力。多
用于线性。②Generalizedplanestrain:多用于材料的不均匀形变,例如角应变。多
用于非线性材料。
(4)Section→Creat→continue
执行上述命令后,便出现了EditSection对话框。
Material:此选项已经在前面定义,对于单个研究对象而言,不需要在进行额外的
选择。
Planestress/strainthickness:此选项应根据应力应变的实际厚度来定。对于平面应
力,一般选取物体的实际厚度。对于平面应变,一般选取力沿着物体作用方向的
实际长度。
我们现在已经定义了物体的材料特性,同时也定义了所选取的研究对象,接下来
我们将把已经定义了的物体的材料特性赋予我们的研究对象。
(5)Assign→Section
5:.
进行了上述选择后,点击DONE按纽,就OK了。
至此我们已经完成了给研究对象赋予其材料特性的任务了。由于我们是以一个平
面应力的金属薄板作为研究对象,所以PROPERTY步中还有一些子选项没有使
用,在此作简要的介绍。
Profile:适用于研究对象为杆的情况,在此可定义与杆的截面有关的各种信息,比
如横截面的形状,面积,转动惯量等等。如下图所示。
Skin:适用于研究对象为三维或轴对称的情况。前者用于面,后者用于边。Skin
的用途在于可以在三维物体的某一个面或者是轴对称物体的一条边上skin附上
一层皮肤,这种皮肤可以是异于物体原来的材料(如铝等)的各种其他材料。在
Creat之前,首先要按照上面所讲的步骤再定义一个或多个Material和Section,
然后才能执行Creatskin命令。为了定义skin,在定义Section的时候必须选择
Shell(必须是均匀的),Membrane或者Gasket这些适合于skin的类型。一般来讲,
定义完成skin以后,在大多数情况下,不能直接从Viewpoint里直接选取skin
面,这时就需要执行Tool→set命令,选取所需要的skin面作为set。从而点击右
下方的set即可选取所需要的skin面。需要注意的是,如果将shell,membrane或
gasket单元赋给skin,那么在Mesh步中就必须对应的赋予其shell,membrane或
gasket单元。另外,对于三维物体,在Mesh步中可以产生面和线单元以对其进
行网格划分,对于轴对称物体也是类似的。当我们对三维物体的面和线进行划分
时,位于其上方的皮肤加强层也相应的被网格剖分了,而不能单独的对皮肤加强
层进行网格划分。
6:.
Offset:该选项可以对皮肤附加边和皮肤附加面进行定位,Offset值可以为正,也
可以为负。例如,在壳体和轴对称物体中应用负的Offset值,表明其上的皮肤边
被定位;在实体中应用负的Offset值,则表明皮肤层被实体所包含。
在PART和PROPERTY步中,我们建立了所研究对象的模型,并且赋予了其材
料特性。注意到整个过程是在局部坐标系下进行,这对于由单一形状构成的模型
尚可,但对于由多个部分构成的物体来说,其中的每个部分都具有其独立的局部
坐标系,为此,我们必须将其划归到一个统一的整体坐标系中,使其成为一个整
体。
:统一坐标系
执行Instance→Create
7:.
点击OK即可。下面简单介绍一下Instance的其他几个命令和Constraint用法。
Create:用于将所选的部分置于全局坐标系下。
Translate:用于刚体的平行移动,移动的距离通过坐标来选定。
Rotate:将所选的物体进行旋转。
Replace:用于组成对象的各个部分之间的相互转换。
ConvertConstraints:重新定位所选的部分。
8:.
Constraint命令适合于物体的组成部分多于一个的情况。用于各个部分之间的定
位。在此不祥述。
:用于定义分析的步骤,可以是一步,也可以是多步,视具体情况而
定。同时给出输出要求。Step分为initial,step-1,step-2……,其中initial为ABAQUS
自动给出,其余为作者自定义。在上述例题中,我们给出一个分析步:initial中
赋予边界条件,step-1中赋予集中力荷载。如下所示:
(1)Step→Creat
Proceduretype:①General:全称为Generalnonlinearperturbation,与Linear
perturbation相对应。此分析步定义了一个连续的事件,即前一个General步的结
束是后一个General步的开始。②Linearperturbation:此分析步定义了在General
nonlinear步结束时的一个线性扰动响应。
在没有线性绕动的情况下,一般选择General步。由于是静态问题,此处下选static,
general.
点击continue进入编辑状态。
9:.
在Basic栏中,定义了时间步长,并用文字对此步进行了描述。Nigeom状态由
物体的形变或位移大小而定。在静态问题中,一般为小位移形变,ABAQUS的
默认值为OFF;在动态问题中,一般形变较大,默认值为ON。其后的两个复选
框均用于热传递,在此不作叙述。
Incrementation栏中,通过选择增量尺寸来确定所输出的祯(frame)的数量。增
量的尺寸越小,所输出的祯的数量就越多;显然,祯的数量不能无限的多,可以
通过Maximumnumberofincrements选项来确定祯的最大值。ABAQUS/CAE给
出了增量尺寸的最小值1e-005,如果出现结果不收敛的情况,可以减少增量尺寸
的最小值。另外,为了避免结果不收敛的情况,可以通过选择Atomatic选项让
系统自动调节增量尺寸。有的时候,在确保所选的增量尺寸能够收敛的情况下,
选择Fixed,这样可以加快系统运算速度,减少内存,但此项一般不建议使用。
由于我们将要给物体加载集中力,由于我们把加载的过程分成了100步,所以加
载力从第一步开始由零递增。因此,在Defaultloadvariationwithtime栏中,选
10:.
择后者。前者代表加载力为瞬时力。另外,在首项中还可以设置求解器类型,一
般情况下,我们选择系统默认的求解器。
(2)Output→FieldOutputRequests→Create:创建一个输出要求。
Domain:选择wholemodel代表将整个模型的场数据或历史数据输出到数据库中,
选择Setname代表将所选定的已经命名区域的场数据或历史数据输出到数据库
中,选择Boltloadname代表将已命名的螺栓荷载的场数据或历史数据输出到数
据库中。
OutputVariable:可以输出应力,应变,位移等变量。
Usedefoaults:将系统默认的截面点的场数据输出到数据库中,此时的系统默认值
即为在PROPERTY步中定义的截面点。
Specify:将自定义的截面点的场数据输出到数据库中,自定义的截面点只能用于
已选择的输出要求中(如上述stresses,strains,displacement/velocity/acceleration中
的被选项),而对于其中的未选项仍使用默认的截面点。
Saveoutputat:用于定义结果的输出频率。
设置完毕,点OK键。
至此,step设置完成。主菜单中的Other选项只适用于ABAQUS显示分析
(Explicit),例如象冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件。前两项主要是选择一
个区域,适时改变其网格划分,以适合冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件。
第三选项也只适用于ABAQUS显示分析(Explicit),用于对接触进行控制。最后
一项用于设置各种参数,一般情况下使用系统默认值,不需要改变其值。
:用于组成物体的各个部分之间的交互。这里引用的例子
是单个金属板的平面应力,故不使用交互命令。只作简单的介绍。
通过INTERACTION步我们可以做以下几件事:①定义一个模型的各个区域之
间或模型的一个区域与其周围区域之间的力学和热学的交互特性(接触特性,传
11:.
动特性等)②定义一个模型的各个区域之间的关联性(如铰结等)③定义一个模型
的两个点之间或模型的一个点与地面之间的联结特性。
(1)interaction→property→create(定义交互特性)
Contact:①Mechanical:TangentialBehavior用于定义区域之间的摩擦和弹性滑动
12:.
(系数);NormalBehavior用于定义垂直方向的接触状况(硬接触,软接触
等);Damping用于定义区域之间的阻尼系数(动态).②Thermal:用于定义区域之间
的热学交互包括(热传导,放热,热辐射等).
FilmCondition:用于定义温度场及其他场的表面散热系数,仅适用于薄膜表面的
情况。
Actuator/sensor:用于定义区域之间的传动和传感特性。
定义完交互特性,接下来就要创建交互了。
(2)Interaction→Create
Surface-to-suefacecontact:用于创建两个可变形面之间或一个可变形面与一个刚
度面之间的交互。
Self-contact:用于创建位于一个独立面内的两个不同面积之间的交互。
Elasticfoundation:是一种便捷的设置交互方式,只能在initial步中设定,一旦设
定,则在以后的step中交互特性均为弹性,而不再需要对其交互细节进行设置,
也不需要进行重复设置。
当然,如果组成模型的各个部分是紧密相连的,就需要使用Connector复选框了。
Connector复选框是和Interaction复选框并列的,创建方式也与其类似,即先定
义联结特性,再创建联结。在此不再详细叙述。
13:.
Constrain:这里的Constrain与Assembly步中的Constrain有所不同,前者限制了
模型分析的自由度,而后者仅仅限定了模型中各个部分的相对位置,前者是对后
者进一步的限制。
①Tie:用于定义两个独立面之间的连接,使它们之间没有相对移动。Tie命令可
以使两个区域紧密的融合在一起,甚至可以连接两个网格划分截然不同的区
域。
②Rigidbody:通过选定一个参考点和集合中的一个区域,从而限定这个区域与
参考点之间的相对位移,但在整个分析过程中,集合中各区域之间的相对位
置保持不变。
③DisplayBody:这种类型的限制适用于在力学和多体动态问题中刚体之间经由
联结(connector)交互的情况。具体的例子见ABAQUS/CAEUsersManual
④Coupling:用于限制一个面相对于一个点的运动。
⑤Equation:用系数和各结点自由度组成的等式进行限制,如下所示:
14:.
下面将进行的是边界条件和力的加载。
:加载边界条件和力
(1)BC→Create:首先在initial步中创建边界条件。
相应于Mechanical栏,总共有七种可供选择的边界条件类型。
Symmetry/Antisymmetry/Encastre:此选项给出了对称,反对称,铰接,固结等四
15:.
种边界条件的设定情况。可以根据具体的约束情况进行选择。
Displacement/Rotation:其功能与上述命令的功能大致相同,但除了上述功能外,
还适用于非对称的情况。例如有些约束只需要限定其中的一个或两个自由度,在
这种情况下,就只能使用Displacement/Rotation命令了。若是要改变约束所在的
坐标系统,单击位于CSYS右侧的EDIT按钮,在右下方的LIST栏中选择一个
预先定义的坐标系,或者直接从viewpoint中选择坐标系,坐标系的默认值是
GLOBAL。
Velocity/AngularVelocity:用来为你所定义的区域结点的自由度提供速度或角速
度。同样,如果想改变约束所在的坐标系,如上所示选择所需要的坐标系。,此
时在编辑菜单中会出现Distribution,点击此命令右侧的箭头,就会出现Uniform
和User-defined两个复选项,前者定义了一个均布的边界条件,后者则表示可在
用户子程序DISP中定义边界条件。
Acceleration/AngularAcceleration:用来为你所选定的区域结点的自由度提供加速
度或角加速度。其他与上类似。
以上三个选项适用于模型各部分之间无联结的情况,而对于各个部分通过铰接,
固结等方式连接起来的模型,则需要使用Connectordisplacement,Connector
Velocity以及ConnectorAcceleration这三个选项了,其功能与上述三个基本类似,
在此不再叙述。
在平面应力问题中,通过对边界条件的选择,我们限定了三个结点,如下图所示:
当然,BC复选框还可以定义声学,电学等不同形式的边界条件,在此只做出说
明。
我们已经在initial步中定义了模型的边界条件,下面我们将在step-1中定义荷载。
(2)Load→Create:在此选项中进行加载。
16:.
在此,我们仅介绍力学加载(Mechanical),在所有的13种加载类型中,也仅介绍几
种常用荷载,以供大家参考。
Concentratedforce:代表集中力,其表示方法有CF1,CF2,CF3,分别表示三个
方向的力。
Moment:代表力矩,其表示方法有CM1,CM2,CM3,分别表示三个方向的力矩
值。
Pressure:有两种类型的压力,可以在此后的Distribution选项中进行选择。选择项
中Uniform代表等压力,Hydrostatic代表静水压力。
PipePressure:用于定义管状或肘状模型中的内外压强。在其中还可以定义管的类
型(封闭管还是通管),也可以定义压强的类型(等压还是静水压力),在此不详
述。
Bodyforce:用于定义单位体积的受力。
Lineload:用于定义单位长度的受力。
Gravity:用于定义一个固定方向的加速度。通过在GravityLoad中所键入的加速
度值以及先前所定义的区域的材料密度,ABABQUS可以计算出施加在这个区域
中的荷载。用于动态。
Generalizedplanestrainload:定义一个轴向荷载,将其应用于具有平面应变区域内
的参考点上。在其复选框内,需要选择力的大小,力关于X轴的转矩,力关于Y
轴的转矩,并将其应用于参考点。
Rotationalbodyforce:此项定义了一个施加在整个模型上的旋转的体力。
在金属板平面应力的例子当中,我们使用的是集中力,大小为6000。如下图:
17:.
Follownodalrotation:默认为toggeloff,因为此时模型为小变形,可以认为力的方
向不随模型变形方向的改变而改变。而在大变形中,则不可以忽略这种改变,应
选toggelon.
下面简单介绍Field复选框的用法。
Field→Create
在Field复选框中可以定义两种场变量:速度场和温度场。
18:.
速度场在起始步中定义,用以定义所选区域的起始速度。
温度场在分析步中定义,用以定义所选区域温度场在数值和时间上的变化。
ABAQYS将把所定义的温度场赋个给所选的对象。
Loadcase:用于各种不同条件下的加载,多用于动态,在此不再详述。
:在这一步当中你可以产生一个集合的网格划分,根据分析的需要,
你可以对网格划分的方式进行控制,系统会自动产生不同的网格划分。当你修改
PART步和ASSEMBLY步中的参数时,系统在此步会自动生成适合于这个模型
的网格划分。当然,由于ABAQUS在网格划分方面的功能还不够强大,不能够
完全按照作者的意图随心所欲的进行划分,因此,可以用Patran或Hypermesh
等软件生成网格,然后导入至CAE中。
(1)Mesh→controls:对网格单元的形状以及网格划分的方式进行定义。
Elementtype:①Quad:完全使用四边形网格单元,而不使用任何的三角形单元。此
项为系统默认值。如下所示:
19:.
②Quad-dominated:主要使用的是四边形的网格单元,但是在过度区域允许出现三
角形网格单元。如下图所示:
③Tri:完全使用三角形网格单元,而没有四边形单元。不再举例了。
当然,以上是对平面图形进行网格划分,如果是对立体图形进行网格划分,那么
相应的选项如下:
①Hex:完全使用立方体(六面体)网格单元。
②Hex-dominated:主要使用六面体网格单元,在过度区域允许使用三棱锥(四面
体)网格单元。
③Tet:完全使用三棱锥(四面体)网格单元。
Technique:①free:自由划分网格,也就是说,在这种网格生成之前,不可能对所
20:.
划分的网格模式进行预测。这种划分方法具有很强的灵活性。适用于模型区域的
结构形态非常复杂的情况。对于二维区域,可以使用三角形,四边形或者二者混
合的单元形状;对于三维区域可以使用三棱锥单元。下面分别介绍这两种情况:
Freemeshingwithquadrilateralandquadrilateral-dominatedelements:用四边形或以
四边形为主的单元自由剖分。如下图所示:
在含有四边形单元的剖分方式中,ABAQUS还提供了一个复选框,即算法复选
框,其中有两个选项::当使用这种算法的自由剖分方法时,系
统先将整个区域分割成规则的网格区域,然后再对更小的部分进行划分。对于虚
拟结构(VirtualTopology)和不精确部分(imprecisepart),最好不要使用中间轴算
法。但是,如果将中间轴算法与固定布种(fixedseed)结合起来时,系统会自动的
选择最佳的布种数量和布种的最佳位置。如下所示:
需要注意的是,使用中间算法自由剖分的时候,四边形和三角形兼有的网格单元
模式与完全四边形网格单元模式实质上是相同的。但是,前者在区域中插入了一
些独立的三角形,使之得以与种子更好的匹配,因此,前者比后者能够产生一个
更快的网格划分。:当使用这种算法的自由网格剖分时,系统首先在
区域的边界上产生了四边形的网格单元,然后逐步的在区域内部产生四边形网格
单元,使之真正的与网格种子相匹配。如下图所示:
21:.
Advancingfront选项的优点在于它能够实现网格的过渡,这是我们所需要的。然
而,在较窄区域内匹配每粒种子会影响网格划分的质量。相对于中间轴算法而言,
进阶算法适用于那些具有不精确部分(对于一个被导入的模型部分,如果必须使
用一个更宽松的公差才能在CAE创建一个与这个模型部分相似的模型的话,那
么这个被导入的模型部分就被认为是不精确的)和虚拟结构(忽略了小边,小面等
不重要部分的结构,以后将在TOOLSET部分讲到)的模型。
说明:;当使用中间轴算法进行自由剖分时,通过系统默认,ABASQUS使得网
格的过度最小化,网格过度的最小化可以更快的生成更好的网格。然而,这种方
法生成的结点很容易偏离种子。下图列举了使用和不使用网格过度最小化的中间
轴算法以及使用进阶算法所构筑的网格划分的不同:
22:.
中间轴算法(medialaxisalgorithm)和进阶算法(advancingfrontalgorithm)不同:
我们注意到,当使用四边形或主导四边形单元的自由剖分方法MESH一个面
的时候,ABAQUS会让你选择不同的算法。如果模型被分成了一个以上的区域,
你也可以对不同的区域选择不同的算法。
中间轴算法:这种算法首先把将被网格划分的区域分解成一组更简单的区域。然
后使用结构化划分方法(一种不同于自由划分方法的划分方式)将单元充填至这
些简单区域中。对于完全四边形元素而言,这种算法被设置为系统的默认值。如
果将被网格划分的区域相对的简单,并且包含了很大数目的单元,那么这种算法
所用的时间要少于进阶算法。使用中间轴算法下属的minimizethemeshtransition
选项(即网格过渡最小化)可以提高网格质量,但这个选项只用于四边形单元网格
划分。
进阶算法:这种算法实现的方法在前面已经介绍过。它首先在区域的外边界部分
生成四边形单元,然后四边形单元在随着由区域表面向区域内部的逐步移动中继
续被生成。对于主导四边形网格而言,系统的默认值为进阶算法。而且,用进阶
算法所产生的主导四边形网格都可以很好的与种子相匹配。对于其它的网格而
言,用进阶算法生成的元素比用中间轴算法生成的元素能更好的与种子相匹配。
进阶算法支持虚拟结构和不精确模型,而中间轴算法则不支持。下面是用两种算
法的四边形主导单元进行的网格划分的例子:
从图中可以看出,两种算法产生的网格都令人满意。
如下图所示,由于进阶算法所产生的元素总是与种子相对应,因此由此导致的较
窄区域的网格元素可能会有歪斜。
通过下面的例子,我们可以看出进阶算法更能够产生具有统一面比率的均匀的单
23:.
元尺寸。
均匀的单元尺寸在分析中会扮演很重要的角色。例如,如果你在
ABAQUS/Explicit中创建了一个网格,网格中的小单元会限制时间的步长。除此