【正文】 ABAQUS教材：入門使用手冊一、前言ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有驚人的廣泛的模擬能力。它擁有大量不同種類的單元模型、材料模型、分析過程等?？梢赃M行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)與動態(tài)分析，如：應(yīng)力、變形、振動、沖擊、熱傳遞與對流、質(zhì)量擴散、聲波、力電耦合分析等；它具有豐富的單元模型，如桿、梁、鋼架、板殼、實體、無限體元等；可以模擬廣泛的材料性能，如金屬、橡膠、聚合物、復(fù)合材料、塑料、鋼筋混凝土、彈性泡沫，巖石與土壤等。對于多部件問題，可以通過對每個部件定義合適的材料模型，然后將它們組合成幾何構(gòu)形。對于大多數(shù)模擬，包括高度非線性問題，用戶僅需要提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性能、邊界條件、荷載工況等工程數(shù)據(jù)。在非線性分析中，ABAQUS能自動選擇合適的荷載增量和收斂準(zhǔn)則，它不僅能自動選擇這些參數(shù)的值，而且在分析過程中也能不斷調(diào)整這些參數(shù)值，以確保獲得精確的解答。用戶幾乎不必去定義任何參數(shù)就能控制問題的數(shù)值求解過程。 ABAQUS產(chǎn)品ABAQUS由兩個主要的分析模塊組成，ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。前者是一個通用分析模塊，它能夠求解廣泛領(lǐng)域的線性和非線性問題，包括靜力、動力、構(gòu)件的熱和電響應(yīng)的問題。后者是一個具有專門用途的分析模塊，采用顯式動力學(xué)有限元格式，它適用于模擬短暫、瞬時的動態(tài)事件，如沖擊和爆炸問題，此外，它對處理改變接觸條件的高度非線性問題也非常有效，例如模擬成型問題。ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)它是ABAQUS的交互式圖形環(huán)境。通過生成或輸入將要分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀，并將其分解為便于網(wǎng)格劃分的若干區(qū)域，應(yīng)用它可以方便而快捷地構(gòu)造模型，然后對生成的幾何體賦予物理和材料特性、荷載以及邊界條件。ABAQUS/CAE具有對幾何體劃分網(wǎng)格的強大功能，并可檢驗所形成的分析模型。模型生成后，ABAQUS/CAE可以提交、監(jiān)視和控制分析作業(yè)。而Visualization（可視化）模塊可以用來顯示得到的結(jié)果。 有限元法回顧任何有限元模擬的第一步都是用一個有限元（Finite Element）的集合來離散（Discretize）結(jié)構(gòu)的實際幾何形狀，每一個單元代表這個實際結(jié)構(gòu)的一個離散部分。這些單元通過共同節(jié)點（Node）來連接。節(jié)點與單元的集合稱為網(wǎng)格（Mesh）。在一個特定網(wǎng)格中的單元數(shù)目稱為網(wǎng)格密度（Mesh Density）。在應(yīng)力分析中，每個節(jié)點的位移是ABAQUS計算的基本變量。一旦節(jié)點位移已知，每個單元的應(yīng)力與應(yīng)變就可以很容易求出。使用隱式方法求解位移如下圖所示，桁架及其離散化模型。圖15所示為模型中每個節(jié)點的分離圖。根據(jù)內(nèi)力、材料性能和位移的關(guān)系，列出每個節(jié)點的平衡方程，這些平衡方程需要同時進行求解以獲得每個節(jié)點的位移。求解采用矩陣形式。一旦位移求出后，就能利用位移返回計算出桁架單元的應(yīng)力。顯示方法與隱式方法不同，例如應(yīng)用在ABAQUS/Explicit中的顯示方法，并不需要求解一套方程組或計算整體剛度矩陣。求解式通過動態(tài)方法從一個增量步前推到下一個增量步得到的。二、ABAQUS基礎(chǔ)一個完整的ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit分析過程，通常由三個明確的步驟組成：前處理、模擬計算和后處理。前處理階段需要定義物理問題的模型，并生成一個ABAQUS輸入文件，使用ABAQUS/CAE或其他軟件完成；模擬計算階段使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，它通常以后臺方式運行；完成模擬計算得到基本變量后，就可以對計算結(jié)果進行評估，通過ABAQUS/CAE的可視化模塊或其他后處理軟件在圖形環(huán)境下交互式進行。 ABAQUS分析模塊的組成一個分析模型至少包括以下信息：離散化的幾何形體、單元截面特性（element section properties）、材料數(shù)據(jù)、載荷和邊界條件、分析類型和輸出要求。下面分別做以介紹。 離散化的幾何形體單元和節(jié)點定義了模型的基本幾何形狀。單元代表物理結(jié)構(gòu)的離散部分，許多單元依次相連組成了結(jié)構(gòu)，單元間通過公共節(jié)點彼此相互聯(lián)結(jié)，模型的幾何形狀由節(jié)點坐標(biāo)和節(jié)點所屬單元的聯(lián)結(jié)所確定。模型中所有單元和節(jié)點的集合稱為網(wǎng)格（mesh）。通常，網(wǎng)格只是實際結(jié)構(gòu)幾何形狀的近似表達。網(wǎng)格中單元類型、形狀、位置和所有單元的總數(shù)都會影響模擬計算的結(jié)果。一般說來，網(wǎng)格密度越高（網(wǎng)格中單元數(shù)量越多），計算結(jié)果越精確，但用于分析計算的時間也會增加。通常，數(shù)值計算是所模擬物理問題的近似解，近似程度取決于模型的幾何形狀、材料特性、邊界條件和載荷對物理問題描述的準(zhǔn)確程度。 單元特性后面幾章會詳細(xì)講述。 材料數(shù)據(jù)必須指定所有單元的材料特性。ABAQUS計算結(jié)果的有效性受材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度和范圍的制約。 載荷和邊界條件最常見的載荷形式包括：點載荷；表面壓力載荷；體力，如重力；熱載荷等。應(yīng)用邊界條件可以使模型的某一部分受到約束而保持固定（零位移）或使其移動指定大小的位移值（非零位移）。沒有約束的剛體位移會導(dǎo)致剛度矩陣產(chǎn)生奇異（singularity）（剛度矩陣的行列式為零）。在求解中，求解器發(fā)生問題，此時，ABAQUS/Standard將發(fā)出警告信息。應(yīng)學(xué)會解讀這些錯誤信息。如果在靜態(tài)應(yīng)力分析時遇到警告信息“numerical singularity”（數(shù)值奇異）或“zero pivot”（主元素為零），用戶必須檢查是否整個或者部分模型缺少限制剛體平動或轉(zhuǎn)動的約束。在動態(tài)分析中，由于結(jié)構(gòu)模型中的所有分離部分都具有一定的質(zhì)量，其慣性力可防止模型產(chǎn)生無限大的瞬時運動，因此，在動力分析中，求解器的警告信息通常提示了某些其他的模擬問題，如過度塑性。 分析類型這里主要講兩種最常見的類型：靜態(tài)（static）和動態(tài)（dynamic）應(yīng)力分析。靜態(tài)分析獲得的是外載荷作用下結(jié)構(gòu)的長期相應(yīng)。其他情況下，可能用戶關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。例如沖擊對部件的影響，或在地震時建筑物的響應(yīng)。為了避免過多信息占用磁盤空間，用戶可根據(jù)需要對輸出數(shù)據(jù)進行限制。通常用ABAQUS/CAE等前處理工具來定義模型中必要的輸出信息。 ABAQUS/CAE簡介 啟動ABAQUS/CAEABAQUS/CAE啟動后，會出現(xiàn)Start Session對話框，選項含義：Create Model Database，開始一個新的分析；Open Database，打開一個以前存儲過的模型或輸出數(shù)據(jù)庫文件；Run Script，運行一個包含ABAQUS/CAE命令的文件；Start Tutorial，從在線文檔中啟動輔導(dǎo)教程。 主窗口的組成部分標(biāo)題欄（Title bar）菜單欄（Menu bar）工具欄（Tool bar）環(huán)境欄（Context bar）工具箱區(qū)（Toolbox bar）：顯示某一功能模塊相應(yīng)的工具，豎放的那個。畫布和作圖區(qū)（Canvas and drawing area）視區(qū)（Viewport）提示區(qū)（Prompt area）：提示下一步的工作。信息區(qū)（Message area），或命令行接口（Command line interface），通過下面兩個按鈕就行二者間的切換。 什么是功能模塊每一個模塊（module）只包含與模擬作業(yè)的某一指定部分相關(guān)的一些工具，如Mesh模塊，Job模塊等。如下圖所示。用戶可以從上圖環(huán)境欄的Module（模塊）列表中選擇各個模塊。列表中模塊次序與創(chuàng)建一個分析模型應(yīng)遵循的邏輯次序是一致的。大多數(shù)情況下，用戶必須遵循這個次序來完成模擬作業(yè)。例如，用戶在生成Assembly（裝配件）前必須先生成Part（部件）。ABAQUS/CAE也允許用戶在任何時刻選擇任一個模塊進行工作，而無需顧及模型的當(dāng)前狀態(tài)。下面對各個模塊進行的模擬任務(wù)做一簡單介紹。⑴ Part（部件）：用于創(chuàng)建各個獨立的部件。⑵ Property（特性）用戶可以定義截面和材料，并將它們賦予（assign）部件的某一部分。⑶ Assembly（裝配）創(chuàng)建部件的實例，并將這些實例相對于其他部件定位在總體坐標(biāo)系中，這樣就構(gòu)成了裝配件。⑷ Step（分析步）生成和構(gòu)成分析步驟，并與輸出需求聯(lián)系起來。分析步序列為實現(xiàn)模擬過程的變化（如載荷和邊界條件的變化）提供了方便途徑。根據(jù)需要，在分析步之間可以改變輸出變量。⑸ Interaction（相互作用）可以指定模型各區(qū)域之間或者模型的一個區(qū)域與周圍區(qū)域之間在熱學(xué)和力學(xué)上的相互作用，一個例子就是兩個表面之間的接觸。其他可以定義的相互作用包括約束，例如綁定（tie），方程（equation）和剛體（rigid body）約束。除非在相互作用模塊中指定接觸，否則ABAQUS/CAE不會自動識別部件實體之間或一個裝配件的各區(qū)域之間的力學(xué)接觸關(guān)系。在一個裝配件中，僅指定表面之間某種類型的相互作用，對于描述兩個表面的實際接近程度實不夠的。相互作用與分析步相關(guān)，這意味著用戶必須規(guī)定相互作用是在哪些分析步中起作用。⑹ Load（載荷）指定載荷、邊界條件和場變量。載荷和邊界條件與分析步有關(guān)，這意味著用戶必須指定載荷和邊界條件在哪些分析步中起作用。某些場變量與分析步有關(guān)，而其他的場變量僅僅作用于分析的開始階段。⑺ Mesh（網(wǎng)格）進行網(wǎng)格劃分。包含為裝配件創(chuàng)建有限元網(wǎng)格剖分的工具。利用所提供的各個層次上的自動剖分和控制工具，用戶可以生成滿足自己要求的網(wǎng)格。⑻ Job（作業(yè)）生成（create）一個作業(yè)并提交進行分析計算。一旦完成了所有定義模型的任務(wù)，用戶便可以用Job模塊分析計算模型。作業(yè)模塊允許用戶交互地提交分析作業(yè)并監(jiān)控其過程。多個模型和運算可以同時被提交并進行監(jiān)控。⑼ Visualization（可視化）觀察分析結(jié)果。提供了有限元模型和分析結(jié)果的圖形顯示。通過Step模塊可以修改輸出需求，用戶可以控制寫入輸出數(shù)據(jù)庫中的信息。⑽ Sketch（草圖）它是二維輪廓圖形，用來幫助形成幾何形狀，定義ABAQUS/CAE可識別的部件。應(yīng)用該模塊創(chuàng)建草圖，定義平面部件、梁、剖面，或者創(chuàng)建一個草圖，然后通過拉伸、掃掠或者旋轉(zhuǎn)等方式將其形成三維部件。在Module列表中選擇一個模塊，將使菜單欄、工具欄和環(huán)境欄發(fā)生變化，以反映當(dāng)前模塊的功能。 有關(guān)例題的學(xué)習(xí)思考一般地，計算一個模型地過程如下： 單位系統(tǒng)在開始定義一個模型之前，需要確定所采用的單位系統(tǒng)。ABAQUS沒有固定地單位系統(tǒng)，所有地輸入數(shù)據(jù)必須指定一致性的單位系統(tǒng)。該手冊均采用SI單位系統(tǒng)（國際單位制，米制體系）。如果用戶工作在標(biāo)記“US Unit”的單位系統(tǒng)，必須小心其密度的單位，在材料性質(zhì)的手冊中給出的密度往往是與重力加速度相乘后的值。某些常用的一致性單位系統(tǒng)列于下表。 創(chuàng)建部件應(yīng)用Part（部件）模塊創(chuàng)建分析模型的每個部件。部件定義了模型各部分的幾何形體，因此，它們是創(chuàng)建ABAQUS/CAE模型的基本構(gòu)件。當(dāng)部件創(chuàng)建后，仍可對其進行編輯和重新命名，但是其模擬空間（modeling space）、類型（type）、或者基本類型（base feature）不能改變。鍵入對話框底部在Approximate size域內(nèi)的這個參考值，設(shè)定了新部件的大致尺寸，ABAQUS/CAE采用這個尺寸計算繪圖區(qū)域和區(qū)域中柵格的尺寸。選取這個參數(shù)的原則必須是與最終模型的最大尺寸同一量級。對于一些特殊點的確定，可采用構(gòu)造幾何（construction geometry）來確定其位置。利用Create constrution：Line…，創(chuàng)建構(gòu)造線，通過交點找位置。某些工具欄圖標(biāo)底部有個小黑色三角形，這些小三角形表示該圖標(biāo)有若干各隱藏的可以切換的工具選項，單擊這些圖標(biāo)并按住鼠標(biāo)鍵不放，就可以顯示其他圖標(biāo)。草圖畫出之后，記得從提示區(qū)（靠近主窗口的底部）單擊Done，以生成模型，在下一步進行之前，在模型數(shù)據(jù)庫中存儲你的模型。 創(chuàng)建材料用戶應(yīng)用Property模塊創(chuàng)建材料和定義材料的參數(shù)。Material→Create，創(chuàng)建新的材料，顯示Edit Material（編輯材料）對話框進行編輯。 定義和賦予截面特性用戶定義一個模型的截面特性，需要在Property模塊中創(chuàng)建一個截面。在截面創(chuàng)建后，用戶可以應(yīng)用下面兩種方法中的一種將該截面特性賦予到當(dāng)前視區(qū)中的部件：⑴ 直接選擇部件中的區(qū)域，并將截面特性賦予該區(qū)域。⑵ 利用Set（集合）工具創(chuàng)建一個同類（homogeneous）集，它包含該區(qū)域并將截面特性賦予該集合。截面面積可以在命令行接口（CLI）中進行簡單計算。鍵入：***2/4，然后按【ENTER】，橫截面面積的值會顯示在CLI中。主菜單欄中選擇Section→Create，在Create Section對話框中選擇截面類型；再在Edit Section對話框中進行有關(guān)設(shè)置。為將截面特性賦予模型，在主菜單中選擇Assign→Section,按提示區(qū)的指導(dǎo)完成后續(xù)操作，選擇需要賦予模型的部分，點擊Done，選擇已定義的截面。 定義裝配每一個部件都創(chuàng)建在自己的坐標(biāo)系中，在模型中彼此獨立。通過創(chuàng)建各個部件的實體（instance）并在整體坐標(biāo)系中將它們相互定位，用戶應(yīng)用Assembly（裝配）模塊定義裝配的幾何形狀。盡管一個模型可能包含多個部件，但只能包含一個裝配件。在工具欄Module列表中單擊Assembly，選取Instance→Create，顯示Create Instance對話框，進行相關(guān)操作。 設(shè)置分析過程⑴ 分析步的創(chuàng)建與設(shè)置創(chuàng)建了裝配件之后，可以進入到Step（分析步）模塊來設(shè)置分析過程。CAE會自動生成起始步，但是用戶必須應(yīng)用