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第二章 ABAQUS 基本使用方法 [2](pp15)快捷键:Ctrl+Alt+左键来缩放模型;Ctrl+Alt+中键来平移模型;Ctrl+Alt+右键来旋转模型。 ②(pp16)ABAQUS/CAE 不会自动保存模型数据,用户应当每隔一段时间自己保存模型以避免意外 丢失。 [3](pp17)平面应力问题的截面属性类型是 Solid(实心体)而不是 Shell(壳) 。 ABAQ

US/CAE 推荐的建模方法是把整个数值模型 (如材料、 边界条件、 载荷等) 都直接定义在几何模型上。 载荷类型 Pressure 的含义是单位面积上的力,正值表示压力,负值表示拉力。 [4](pp22)对于应力集中问题,使用二次单元可以提高应力结果的精度。 [5](pp23)Dismiss 和 Cancel 按钮的作用都是关闭当前对话框,其区别在于:前者出现在包含只读数 据的对话框中;后者出现在允许作出修改的对话框中,点击 Cancel 按钮可关闭对话框,而不保存 所修改的内容。 [6](pp26)每个模型中只能有一个装配件,它是由一个或多个实体组成的,所谓的“实体” (instance) 是部件(part)在装配件中的一种映射,一个部件可以对应多个实体。材料和截面属性定义在部件上, 相互作用(interaction) 、边界条件、载荷等定义在实体上,网格可以定义在部件上或实体上,对求解过程 和输出结果的控制参数定义在整个模型上。 [7](pp26) ABAQUS/CAE 中的部件有两种:几何部件(native part)和网格部件(orphan mesh part) 。 创建几何部件有两种方法: (1)使用 Part 功能模块中的拉伸、旋转、扫掠、倒角和放样等特征来直 接创建几何部件。 (2)导入已有的 CAD 模型文件,方法是:点击主菜单 File→Import→Part。网格部件不 包含特征,只包含节点、单元、 面、集合的信息。创建网格部件有三种方法: (1)导入 ODB 文件中的网 格。 (2)导入 INP 文件中的网格。 (3)把几何部件转化为网格部件,方法是:进入 Mesh 功能模块,点击 主菜单 Mesh→Create Mesh Part。 [8](pp31)初始分析步只有一个,名称是 initial,它不能被编辑、重命名、替换、复制或删除。在初始分析步 之后,需要创建一个或多个后续分析步,主要有两大类: (1)通用分析步(general analysis step)可以用于 线性或非线性分析。常用的通用分析步包含以下类型: —Static, General: ABAQUS/Standard 静力分析 —Dynamics, Implicit: ABAQUS/Standard 隐式动力分析 —Dynamics, Explicit: ABAQUS/ Explicit 显式动态分析 (2)线性摄动分析步(linear perturbation step)只能用来分析线性问题。在 ABAQUS/Explicit 中 不能使用线性摄动分析步。在 ABAQUS/Standard 中以下分析类型总是采用线性摄动分析步。 —Buckle: 线性特征值屈曲。 —Frequency: 频率提取分析。 —Modal dynamics: 瞬时模态动态分析。 —Random response: 随机响应分析。 —Response spectrum: 反应谱分析。 —Steady-state dynamics: 稳态动态分析。 [9](pp33)在静态分析中,如果模型中不含阻尼或与速率相关的材料性质, “时间”就没有实际的物 理意义。为方便起见,一般都把分析步时间设为默认的 1。每创建一个分析步,ABAQUS/CAE 就会自动生成一个该分析步的输出要求。 [10] (pp34)自适应网格主要用于 ABAQUS/Explicit 以及 ABAQUS/Standard 中的表面磨损过程 模拟。在一般的 ABAQUS/Standard 分析中,尽管也可设定自适应网格,但不会起到明显的作用。 Step 功能模块中,主菜单 Other→Adaptive Mesh Domain 和 Other→Adaptive Mesh Controls 分别 设置划分区域和参数。 [11](pp37)使用主菜单 Field 可以定义场变量(包括初始速度场和温度场变量) 。有些场变量与分析步有 关,也有些仅仅作用于分析的开始阶段。使用主菜单 Load Case 可以定义载荷状况。载荷状况由一系列的 载荷和边界条件组成,用于静力摄动分析和稳态动力分析。

[12](pp42)独立实体是对部件的复制,可以直接对独立实体划分网格,而不能对相应的部件划分网格。 非独立实体是部件的指针,不能直接对非独立实体划分网格,而只能对相应的部件划分网格。由网格部件 创建的实体都是非独立实体。 [13] (pp45) Quad 单元 (二维区域内完全使用四边形网格) 和 Hex 单元 (三维区域内完全使用六面体网格) 可以用较小的计算代价得到较高的精度,因此应尽可能选择这两种单元。 [14](pp45)结构化网格和扫掠网格一般采用 Quad 单元和 Hex 单元,分析精度相对较高。因此优 先 选用这两种划分技术。使用自由网格划分技术时,一般来说,节点的位置会与种子的位置相吻合。 使用结构化网格和扫掠网格划分技术时,如果定义了受完全约束的种子,划分可能失败。 [15](pp45)划分网格的两种算法: 中性轴算法(Medial Axis) : (1)中性轴算法(Medial Axis)更易得到单元形状规则的网格,但网格与种子的位置吻合得较差。 (2)在二维区域中,使用此算法时选择 Minimize the mesh transition(最小化网格的过渡)可提高网格质 量,但更容易偏离种子。当种子布置得较稀疏时,使用中性轴算法得到的单元形状更规则。 (3)如果在模型的一部分边上定义了受完全约束的种子,中性轴算法会自动为其他的边选择最佳的种子 分布。 (4)中性轴算法不支持由 CAD 模型导入的不精确模型和虚拟拓扑。 Advancing Front 算法 (1) 网格可以与种子的位置很好地吻合,但在较窄的区域内,精确匹配每粒种子可能会使网格歪斜。 (2) 更容易得到单元大小均匀的网格。有些情况下, 单元均匀是很重要的, 例如在 ABAQUS/Explicit 中, 网格中的小单元会限制增量步长。 (3) 容易实现从粗网格到细网格的过渡。 (4) 支持不精确模型和二维模型的虚拟拓扑。 [16](pp50)网格划分失败时的解决办法 网格划分失败的原因: (1) 几何模型有问题,例如模型中有自由边或很小的边、面、尖角、裂缝等。 (2) 种子布置得太稀疏。如果无法成功地划分 Tet 网格,可以尝试以下措施: (1) 在 Mesh 功能模块中,选择主菜单 Tools→Query 下的 Geometry Diagnostics,检查模型中是否有自由 边、短边、小平面、小尖角或微小的裂缝。如果几何部件是由 CAD 模型导入的,则应注意检查是否模型本 身就有问题(有时可能是数值误差导致的) ;如果几何部件是在 ABAQUS/CAE 中创建的,应注意是否在进 行拉伸或切割操作时,由于几何坐标的误差,出现了上述问题。 (2) 在 Mesh 功能模块中,可以使用主菜单 Tools→Virtual Topology(虚拟拓扑)来合并小的边或面,或 忽略某些边或顶点。 (3) 在 Part 功能模块中,点击主菜单 Tools→Repair,可以修复存在问题的几何实体。 (4) 在无法生成网格的位置加密种子。 [17](pp51)网格质量检查在 Mesh 功能模块中,点击主菜单 Mesh→Verify,可以选择部件、实体、几何区 域或单元,检查其网格的质量,获得节点和单元信息。在 Verify Mesh 对话框,选择 Statistical Checks(统计检查)可以检查单元的几何形状,选择 Analysis Checks(分析检查)可以检查分析过程中会导 致错误或警告信息的单元。单击 Highlight 按钮,符合检查判据的单元就会以高亮度显示出来。 [18](pp51)单元类型 ABAQUS 拥有 433 种单元,分 8 大类:连续体单元(continuum element,即实体单元 solid element) 、壳单 元、薄膜单元、梁单元、杆单元、刚体单元、连接单元和无限元。 (1) 线性单元(即一阶单元) ;二次单元(即二阶单元) ;修正的二次单元(只有 Tri 或 Tet 才有此类型) 。 (2) ABAQUS/Explicit 中没有二次完全积分的连续体单元。 (3) 线性完全积分单元的缺点:承受弯曲载荷时,会出现剪切自锁,造成单元过于刚硬,即使划分很细

的网格,计算精度仍然很差。 (4) 二次完全积分单元的优点: (A)应力计算结果很精确,适合模拟应力集中问题; (B)一般情况下, 没有剪切自锁问题。但使用这种单元时要注意: (A)不能用于接触分析; (B)对于弹塑性分析,如果材料 不可压缩(例如金属材料) ,则容易产生体积自锁; (C)当单元发生扭曲或弯曲应力有梯度时,有可能出 现某种程度的自锁。 (5) 线性减缩积分单元在单元中心只有一个积分点,存在沙漏数值问题而过于柔软。采用这种单元模拟 承受弯曲载荷的结构时,沿厚度方向上至少应划分四个单元。优点: (A)位移计算结果较精确; (B)网格 存在扭曲变形时(例如 Quad 单元的角度远远大于或小于 90?) ,分析精度不会受到明显的影响; (C)在弯 曲载荷下不易发生剪切自锁。缺点: (A)需要较细网格克服沙漏问题; (B)如果希望以应力集中部位的节 点应力作为分析目标, 则不能选用此单元。 (6) 二次减缩积分单元不但保持线性减缩积分单元的上述优点, 还具有如下特点: (A)即使不划分很细的网格也不会出现严重的沙漏问题; (B)即使在复杂应力状态下, 对自锁问题也不敏感。使用这种单元要注意: (A)不能用于接触分析; (B)不能用于大应变问题; (C)存 在与线性减缩积分单元类似的问题,即节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。 (7) 非协调模式单元 可克服线性完全积分单元中的剪切自锁问题, 仅在 ABAQUS/Standard 有。 优点: (A) 克服了剪切自锁问题, 在单元扭曲比较小的情况下,得到的位移和应力结果很精确; (B)在弯曲问题中,在厚度方向上只需很少 的单元,就可以得到与二次单元相当的结果,而计算成本却明显降低; (C)使用了增强变形梯度的非协调 模式,单元交界处不会重叠或开洞,因此很容易扩展到非线性、有限应变得位移。但使用这种单元时要注 意:如果所关心部位的单元扭曲比较大,尤其是出现交错扭曲时,分析精度会降低。 (8) 使用 Tri 或 Tet 单元要注意: (A)线性 Tri 或 Tet 单元的精度很差,不要在模型中所关心的部位及其附 近区域使用; (B) 二次 Tri 或 Tet 单元的精度较高, 而且能模拟任意的几何形状, 但计算代价比 Quad 或 Hex 单 元大,因此如果能用 Quad 或 Hex 单元,就尽量不要使用 Tri 或 Tet 单元; (C)二次 Tet 单元 (C3D10) 适于 ABAQUS/Standard 中的小位移无接触问题; 修正的二次 Tet 单元 (C3D10M) 适于 ABAQUS/Explicit 和 ABAQUS/Standard 中的大变形和接触问题; (D)使用自有网格不易通过布置种子来控制 实体内部的单元大小。 (9) 杂交单元 在 ABAQUS/Standard 中,每一种实体单元都有其对应的杂交单元, 用于不可压缩材料(泊松比为 0.5,如橡胶)或近似不可压缩材料(泊松比大于 0.475) 。除了平面应力问 题之外,不能用普通单元来模拟不可压缩材料的响应,因为此时单元中的应力士不确定的。 ABAQUS/Explicit 中没有杂交单元。 [19](pp57)在混合使用不同类型单元时,应确保其交界处远离所关心的区域,并仔细检查分析结果是否 正确。对于无法完全采用 Hex 单元网格的实体,还可采用以下方法: (A)对整个实体划分 Tet 单元网格,使用二次单元 C3D10 或修正的二次单元 C3D10M,同样可以达到所需 精度,只是计算时间较长; (B)改变实体中不重要部位的几何形状,然后对整个实体采用 Hex 单元网格。 [20](pp60)三维实体单元类型的选择原则 (1)对于三维区域,尽可能采用结构化网格划分或扫掠网格划分技术,从而得到 Hex 单元网格,减小计 算代价,提高计算精度。当几何形状复杂时,也可以在不重要的区域使用少量楔形单元。 (2)如果使用了自由网格划分技术,Tet 单元类型应选择二次单元。在 ABAQUS/Explicit 中应选择修正的 Tet 单元 C3D10M,在 ABAQUS/Standard 中可以选择 C3D10,但如果有大的塑性变形,或模型中存在接触, 而且使用的是默认的硬接触关系,则也应选择修正的 Tet 单元 C3D10M。 ( 3 ) ABAQUS 的 所 有 单 元 均 可 用 于 动 态 分 析 , 选 取 单 元 的 一 般 原 则 与 静 力 分 析 相 同 。 但 在 使 用 ABAQUS/Explicit 模拟冲击或爆炸载荷时,应选用线性单元,因为它们具有集中质量公式,模拟应力波的效 果优于二次单元所采用的一致质量公式。 如果使用的是 ABAQUS/Standard, 在选择单元类型时还应该注意: (1) 对于应力集中问题,尽量不要使用线性减缩积分单元,可使用二次单元来提高精度。如果在应力集 中部位进行了网格细化,使用二次减缩积分单元与二次完全积分单元得到的应力结果相差不大,而二次减 缩积分单元的计算时间相对较短。

(2) 对于弹塑性分析,如果材料是不可压缩性的(例如金属材料) ,则不能使用二次完全积分单元,否则 会出现体积自锁问题,也不要使用二次 Tri 或 Tet 单元。推荐使用的是修正的二次 Tri 或 Tet 单元、 非协调 单元以及线性减缩积分单元。 (3) 如果模型中存在接触或大的扭曲变形,则应使用线性 Quad 或 Hex 单元以及修正的二次 Tri 或 Tet 单 元,而不能使用其它的二次单元。 (4) 对于以弯曲为主的问题,如果能够保证在所关心的部位的单元扭曲较小,使用非协调单元可以得到 非常精确的结果。 (5) 除了平面应力问题之外,如果材料是完全不可压缩的(如橡胶材料) ,则应使用杂交单元;在某些情 况下,对于近似不可压缩材料也应使用杂交单元。 [21](pp61)壳单元类型及选择原则 如果一个薄壁构件的厚度远小于其典型结构整体尺寸 (一般为小于 1/10) , 并且可以忽略厚度方向的应力, 就可以用壳单元来模拟此结构。壳体问题可分两类:薄壳问题(忽略横向剪切变形)和厚壳问题(考虑横 向剪切变形) 。对于单一各向同性材料,一般当厚度和跨度的比值小于 1/15 时,可以认为是薄壳;大于 1/15 时,则可以认为是厚壳。对于复合材料,这个比值要更小一些。按薄壳和厚壳分为:通用壳单元和特 殊用途壳单元。前者对薄壳和厚壳均有效;按单元定义方式可分为:常规壳单元和连续体壳单元。前者通 过定义单元的平面尺寸、表面法向何 初始曲率来对参考面进行离散,只能在截面属性中定义壳的厚度,不 能通过节点来定义壳的厚度。后者类似于三维实体单元,对整个三维结构进行离散。选择原则: (1) 对于 薄壳问题,常规 壳单元的性能优于连续体单元;而对于接触问题,连续体壳单元的计算结果更加精确,因 为它能在双面接触中考虑厚度的变化。 (2) 如果需要考虑薄膜模式或弯曲模式的沙漏问题, 或模型中有面内弯曲, 在 ABAQUS/Standard 中使用 S4 单元可获得很高的精度。 (3) S4R 单元性能稳定,适用范围很广。 (4) S3/S3R 单元可以作为通用壳单元使用。由于单元中的常应变近似,需要划分较细的网格来模拟弯曲 变形或高应变梯度。 (5) 对于复合材料,为模拟剪切变形的影响,应使用适于厚壳的单元(例如 S4、S4R、S3、S3R、S8R) , 并要注意检查截面是否保持平面。 (6) 四边形或三角形的二次壳单元对剪切自锁或薄膜自锁都不敏感,适用于一般的小应变薄壳。 (7) 在接触模拟中,如果必须使用二次单元,不要选择 STRI65 单元,而应使用 S9R5。 (8) 如果模型规模很大且只表现几何线性,使用 S4R5 单元(线性薄壳单元)比通用壳单元更节约计算成 本。 石亦平 ABAQUS 有限元分析实例祥解之读后小结 第 6 页共 6 页 (9) 在 ABAQUS/Explicit 中,如果包含任意大转动和小薄膜应变,应选用小薄膜应变单元。 [22] 梁单元类型的选择 如果一个构件横截面的尺寸远小于其轴向尺度(一般的判据为小于 1/10) ,并且沿长度方向的应力是最重 要的因素,就可以考虑梁单元来模拟此结构。ABAQUS 中的所有单元都是梁柱类单元,即可以产生轴向变 形、弯曲变形和扭转变形。Timoshenko 梁单元还考虑了横向剪切变形的影响。B21 和 B31(线性梁单元) 以及 B22 和 B32 单元(二次梁单元)是考虑剪切变形的 Timoshenko 梁单元,它们既适用于模拟剪切变形 起重要作用的深梁,又适用于模拟剪切变形不太重要的细长梁。这些单元的截面特性与厚壳单元的横截面 特性相同。 ABAQUS/Standard 中三次单元 B23 和 B33 被称为 Euler-Bernoulli 梁单元, 它们不能模拟剪切变形, 但适合于模拟细长的构件(很截面的尺寸小于轴向尺度的 1/10) 。由于三次单元可以模拟沿长度方向的三 阶变量,所以只需划分很少的单元就可以得到很精确的结果。选择原则: (1) 在任何包含接触的问题中, 应使用 B21 或 B31 单元(线性剪切应变梁单元) 。 (2) 如果横向剪切变形很重要,则应采用 B22 或 B32 单

元(二次 Timoshenko 梁单元) 。 (3) 在 ABAQUS/Standard 中的几何非线性模拟中,如果结构非常刚硬或非常 柔软,应使用杂交 单元,例如 B21H 或 B32H 单元。 (4) 如果在 ABAQUS/Standard 中模拟具有开口薄壁横截面的结构,应使用基 于横截面翘曲理论 的两单元,例如 B31OS 或 B32OS 单元。


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