【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的有限元模型 ， 以此來模擬復(fù)合材料中應(yīng)力的分布狀況。還要模擬冷卻過程中復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的變化過程及冷卻后熱殘余應(yīng)力的分布狀況。最后通過改變界面層厚度、 熱膨脹系數(shù)、彈性模量 等材料性能 來 分析殘余應(yīng)力的 變化情況 。 2 ABAQUS 有限元分析基礎(chǔ) 有限元法及 ABAQUS 軟件介紹 有限元法是一種高效能、常用的計(jì)算方法 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 12 成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法 。 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對(duì)小的子域中。 不同于求解滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。 有限元法從選擇基本未知量的角度來看，可以分為三類：位移法，力法和混合法。以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點(diǎn)位移，另一部分以節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。由于位移法通用性較強(qiáng)，計(jì)算機(jī)程序處理簡(jiǎn)單方便，因此得到廣泛的應(yīng)用。 在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與 CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本； 縮短 設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；增加產(chǎn)品和工程的可靠性；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本；在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。 簡(jiǎn)言之，有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果 。 隨著工業(yè)發(fā)展和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷提高， CAD、 CAE、 CAM 越來越受到大家的關(guān)注，而有限元被認(rèn)為是最成熟的分析手段之一，其中 ABAQUS 是國(guó)際 上最先進(jìn)的有限元分析軟件之一。它具有強(qiáng)健的計(jì)算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。 ABAQUS能 為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來又非常簡(jiǎn)單。大量的復(fù)雜問題可以通過選項(xiàng)塊的不同組合很容易的模擬出來。例如，對(duì)于復(fù)雜多構(gòu)件問題的模擬是通過把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項(xiàng)塊與相應(yīng)的材料性質(zhì)選項(xiàng)塊結(jié)合起來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。在一個(gè)非線性分析中， ABAQUS 能自動(dòng)選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度 。他不僅能夠選擇合適參數(shù)，而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 13 中有效地得到精確解。用戶通過準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。所以本課題也采用此有限元分析軟件。 ABAQUS 軟件界面介紹 其主窗口包括以下部分（如圖 21） ： 圖 21 ABAQUS 的主界面 （ 1）標(biāo)題欄 標(biāo)題欄 顯示當(dāng)前版本及模型數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱 （ 2）環(huán)境欄 ABAQUS 包括一系列的功能模塊（ module），每一模塊能完成模型的一種特定功能。通過這個(gè) module 列表可以在各功能之間進(jìn)行切換。 （ 3）工具欄 工具欄提供了菜單功能的快捷訪問方式。 （ 4）主菜單 通過對(duì)菜單的操作，可以調(diào)用 ABAQUS 的全部功能。用戶選擇不同的功能模塊時(shí)，菜單欄中包括的菜單項(xiàng)也會(huì)有所不同。 （ 5）模型樹 模型樹直觀的顯示出模型的各個(gè)組成部分，如部件、材料、分析步、載荷和輸出要求等。使用模型樹可以更方便的在各功能之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)主菜單和工中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 14 具欄提供的大部分功能。 （ 6）工具區(qū) 當(dāng)用戶進(jìn)入某一功能模塊時(shí)，工具區(qū)就會(huì)顯示該 功能模塊相應(yīng)的工具，幫助用戶快速調(diào)用該模塊的功能。 （ 7） 視 圖區(qū) 用 戶在這個(gè)區(qū)域 作圖。 （ 8）提示區(qū) 在進(jìn)行各種操作時(shí)，會(huì)在這里顯示相應(yīng)的提示。 （ 9）信息區(qū)和命令行接口 顯示狀態(tài)信息和警告。鍵入命令和數(shù)學(xué)表達(dá)式。 ABAQUS 分析步驟 有限元分析包括以下三個(gè)步驟：前處理、分析計(jì)算、后處理。 （ 1）前處理（ ABAQUS/CAE） 在前處理階段需要定義物理問題的模型，并生成一個(gè) ABAQUS 輸入文件。ABAQUS/CAE 是完整的 ABAQUS 運(yùn)行環(huán)境，可以生成 ABAQUS 模型、交互式的提交和監(jiān)控分析作業(yè)，并顯示分析結(jié)果。 ABAQUS/CAE 分為若干個(gè)功能模塊，每一個(gè)模塊定 義了模擬過程的一個(gè)方面，例如，定義幾何形狀、材料性質(zhì)和網(wǎng)格等。建模完成后， ABAQUS/CAE 可以生成 ABAQUS輸入文件，提交給 ABAQUS/Standard。 （ 2）分析計(jì)算（ ABAQUS/Standard） 在分析計(jì)算階段，使用 ABAQUS/Standard 求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，通常以后臺(tái)方式運(yùn)行，分析結(jié)果保存在二進(jìn)制文件中，以便于后處理。 （ 3）后處理（ ABAQUS/Viewer） 后處理部分可以讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)， 以多種方式顯示分析結(jié)果，包括彩色云紋圖、動(dòng)畫、變形圖和 XY曲線圖等。 Part 功能模塊 ABAQUS/CAE中的模型由一個(gè)或多個(gè)部件構(gòu)成，用戶可以在 Part 功能模塊中創(chuàng)建和修改各個(gè)部件，具體包括以下功能： 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 15 （ 1）主菜單 Part 創(chuàng)建柔體部件、離散剛體部件或解析剛體部件，對(duì)它們進(jìn)行復(fù)制、重命名、刪除、鎖定和解除鎖定等操作。 （ 2）主菜單 Shape 通過創(chuàng)建拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、倒角和放樣等特征來定義不見得幾何形狀。 （ 3）主菜單 Feature 編輯、重新生成、抑制、恢復(fù)和刪除幾何部件的特征。 （ 4）主菜單 Tools 定義集合、 基準(zhǔn)、剛體部件的參考點(diǎn)，分割部件。 Property(特性 )功能模塊 在 ABAQUS/CAE 中，不能直接指定單元或幾何部件的材料特性，而是要首先定義相應(yīng)的截面屬性，然后指定截面屬性的材料，再把此截面屬性賦予相應(yīng)的部件。 主要可以完成以下操作： （ 1）主菜單 Material 創(chuàng)建和管理材料。 （ 2）主菜單 section 創(chuàng)建和管理截面屬性。 （ 3）主菜單 Profile 創(chuàng)建和管理梁截面。 （ 4）主菜單 Special→ Skin 在三維物體的某一個(gè)面或軸對(duì)稱物體的一條邊上附上一層皮 膚，這種皮膚的材料可以與物體原來的材料不同。 （ 5）主菜單 Assign 指定部件的截面、取向、法線方向和切線方向。 Assembly（裝配）功能模塊 每個(gè)部件都被創(chuàng)建在自己的局部坐標(biāo)系中，在模型中相互獨(dú)立。使用這個(gè)模塊可以為各個(gè)部件創(chuàng)建實(shí)體，并在整體坐標(biāo)系中為這些實(shí)體定位，形成一個(gè)完整的裝配件。 實(shí)體是部件在裝配件中的一種映射，用戶可以為一個(gè)部件重復(fù)地創(chuàng)建多個(gè)實(shí)體，每個(gè)實(shí)體總是保持著和相應(yīng)部件的聯(lián)系。如果在 Part 功能模塊中修改部件的形狀尺寸，或在 Property 功能模塊中修改部件的材料特征 ，這個(gè)部件相應(yīng)的實(shí)體就會(huì)自動(dòng)隨之改變，不能直接對(duì)實(shí)體進(jìn)行上述修改。 在 Assembly功能模塊中主要可以進(jìn)行以下操作： （ 1）主菜單 Instance 創(chuàng)建實(shí)體，通過平移和旋轉(zhuǎn)來為實(shí)體定位，把多個(gè)實(shí)體合并為一個(gè)新的部件，或者把一個(gè)實(shí)體切割（ cut）為多個(gè)新的部件。 （ 2）主菜單 Constraint 通過建立各個(gè)實(shí)體間的位置關(guān)系來為實(shí)體定位，包括面與面平行、面與面相對(duì)、邊與邊平行、邊與邊相對(duì)、軸重合、點(diǎn)重合、坐中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 16 標(biāo)系平行等。 Step（分析步）功能模塊 使用主菜單 Step 下的各菜單項(xiàng)可以創(chuàng)建和 管理各個(gè)分析步。 ABAQUS/CAE 的分析過程是由一系列的分析步組成的，其中包括兩種分析步。 （ 1）初始分析步 ABAQUS/CAE 會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)初始分析步，可以在其中定義模型初始狀態(tài)下的邊界條件和相互作用（ interaction）。初始分析步只有一個(gè)，名字是“ Initial” ,它不能被編輯、重命名、替換、復(fù)制或刪除。 （ 2）后續(xù)分析步 在初始分析步之后，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)或多個(gè)后續(xù)分析步，每個(gè)后續(xù)分析步描述一個(gè)特定的分析過程，例如載荷或邊界條件的變化、部件之間相互作用的變化、添加或去除某個(gè)部件等等。 創(chuàng)建后 續(xù)分析步時(shí)可以選擇它的類型，主要包括兩大類： （ 1）通用分析步（ general analysis step） 可以用于線性或非線性分析。常用的通用分析步包括以下類型 — Static,General(進(jìn)行靜力分析 )；Dynamics,Implicit(進(jìn)行隱式動(dòng)力分析 )； Dynamics， Explicit(進(jìn)行顯式動(dòng)態(tài)分析 )。 （ 2）線性攝動(dòng)分析步（ Linear perturbation step） 只能用來分析線性問題。在 ABAQUS/ Explicit 中不能使用線性攝動(dòng)分析步。 Interaction(相互作用 )功能模塊 在 Interaction 功能模塊中，主要可以定義模型的以下相互作用。 （ 1）主菜單 Interaction 定義模型的各部分之間或模型與外部環(huán)境之間的力學(xué)或熱相互作用，例如接觸、彈性地基、熱輻射等。 （ 2）主菜單 Constraint 定義模型各部分之間的約束關(guān)系。 （ 3）主菜單 Connector 定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間的連接單元（ Connector），用來模擬固定連接、鉸接、恒定速度連接、止動(dòng)裝置、內(nèi)摩擦、失效條件和鎖定裝置等。 （ 4）主菜單 Special→ Inertia 定義慣量（包括點(diǎn)質(zhì)量 /慣量、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量和熱容）。 （ 5）主菜單 Special→ Crack 定義裂紋。 （ 6）主菜單 Special→ Springs 定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)論文 17 的彈簧和阻尼器。 （ 7）主菜單 Tools 常用的菜單項(xiàng)包括 Set(集合 )、 Surface（面）和Amplitude(幅值 )等。 Load(載荷 )功能模塊 在 Load(載荷 )功能模塊中，主要可以定義載荷、邊界條件、場(chǎng)變量（ field）和載荷狀況（ load case）。 （ 1）載荷 點(diǎn)擊主 菜單 Load→ Create,可以定義以下類型的載荷 ： ● Concentrated Force:施加在節(jié)點(diǎn)或幾何實(shí)體定點(diǎn)上的集中力，表示為力在三個(gè)方向上的分量。 ● Moment: 施加在節(jié)點(diǎn)或幾何實(shí)體定點(diǎn)上的彎矩，表示為力矩在三個(gè)方向上的分量。 ● Pressure:單位面積載荷（載荷的方向總是與面或邊垂直，正值為壓力，負(fù)之為拉力）。 ● Body Force:單位體積上的體力。 ● Generalized Plane Strain:廣義平面應(yīng)變載荷，它施加在由廣義平面應(yīng)變單元所構(gòu)成區(qū)域的參考點(diǎn)上。 ● Connector Force:施加在連續(xù)單元上的力。 ● 溫度和電場(chǎng)變量。 （ 2）邊界條件 使用主菜單 BC 可以定義以下類型的邊界條件：對(duì)稱 /