《ABAQUS基础与理论》PPT课件.ppt

ABAQUS,阅百家CAE工作室QQ:2759944239,ABAQUS/Standard提供了通用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传递等；ABAQUS/Explicit应用对时间进行显式积分的动态模拟，提供了应力/变形分析的能力（这种显式积分的应用使得ABAQUS/Explicit为处理复杂接触条件的问题提供了强有力的工具，例如在加工过程中经常发生的冲压和锻压）。ABAQUS/Standard（通用程序）；ABAQUS/Explicit（显式积分）；ABAQUS/Post（后处理）；ABAQUS/Aqua（波动载荷）；ABAQUS/USA(水下冲击分析）技术支持工程师将会从模型描述和错误信息量方面诊断问题。,ABAQUS,ABAQUS-Shortcut,Alt+对应字母选择操作-按住Alt键不放，继续选择；反选-在ABAQUS快捷键操作模式下，Shift+左键为选取；Ctrl+左键反选。,ABAQUS,输入文件是由一定数量的选项块组成，并包括对模型局部数据的说明。每一选项块开始时都有一行关键字行，然后通常紧跟一行或多行数据行。每一行不能超过132个字符。,关键字（或选项块）通常由一个星号（*）开始。如*NODE是确定节点坐标的关键字。,ABAQUSmodel,一个分析模型至少要包含如下的信息：离散化的几何形体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。网格的密度（模型中所有单元和节点的集合称为网格；通常，网格只是实际结构几何形状的近似表达）计算进度计算成本。单元特性ABAQUS有广泛的单元库，其中许多单元的几何形状无法完全由他们的节点坐标来定义。例如：复合材料壳的叠层或工字形梁截面的尺寸数据就不能通过单元节点来定义。这些附加的几何数据可由单元的物理特性来定义，对于定义完整的模型几何形状他们是必要的。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。一个ABAQUS模型只能包含一个装配体。,Rigidbody,Arigidbodyisacollectionofnodes,elements,and/orsurfaceswhosemotionisgovernedbythemotionofasinglenode,calledtherigidbodyreferencenode.Therelativepositionsofthenodesandelementsthatarepartoftherigidbodyremainconstantthroughoutasimulation.Therefore,theconstituentelementsdonotdeformbutcanundergolargerigidbodymotions.Themassandinertiaofarigidbodycanbecalculatedbasedoncontributionsfromitselementsorcanbeassignedspecifically.Analyticalsurfacescanalsobemadepartoftherigidbody,whereasanysurfacesbasedonthenodesorelementsofarigidbodyareassociatedautomaticallywiththerigidbody.Themotionofarigidbodycanbeprescribedbyapplyingboundaryconditionsattherigidbodyreferencenode.Loadsonarigidbodyaregeneratedfromconcentratedloadsappliedtonodesandfromdistributedloadsappliedtoelementsthatarepartoftherigidbody.Rigidbodiesinteractwiththeremainderofthemodelinseveralways.Rigidbodiescanconnectatthenodestodeformableelements,andsurfacesdefinedonrigidbodiescancontinueonthesedeformableelements,providedthatcompatibleelementtypesareused.Rigidbodiescanalsobeconnectedtootherrigidbodiesbyconnectorelements(see“Connectors:overview,”Section28.1.1).Surfacesdefinedonrigidbodiescancontactsurfacesdefinedonotherbodiesinthemodel.,Rigidbody,Arigidbodyreferencenodehasbothtranslationalandrotationaldegreesoffreedomandmustbedefinedforeveryrigidbody.Ifthereferencenodehasnotbeenassignedcoordinates,Abaquswillassignitthecoordinatesoftheglobaloriginbydefault.Alternatively,youcanspecifythatthereferencenodeshouldbeplacedatthecenterofmassoftherigidbody.Infullycoupledtemperature-displacementanalysiswherearigidbodyisconsideredasisothermal,asingletemperaturedegreeoffreedomdescribingthetemperatureoftherigidbodyexistsattherigidbodyreferencenode.Therigidbodyreferencenode:canbeconnectedtomass,rotaryinertia,capacitance,ordeformableelements;cannotbearigidbodyreferencenodeforanotherrigidbody；canhaveatemperaturedegreeoffreedomifthebodyisanisothermalrigidbody.,ABAQUS-interaction,在Interaction模块中，用户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，如两个表面之间的接触。其他可以定义的相互作用包括约束，诸如绑定（tie）、方程（equation）和刚体（rigidbody）约束。除非在相互作用模块中制定接触，否则ABAQUS/CAE不会自动识别部件实体之间或一个装配体的各区域之间的力学接触关系。在一个装配件中，仅制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是不够的。相互作用于分析步有关，这意味着用户必须规定相互作用在那些分析步中起作用。,ABAQUS/Exlicit,在分析过程中，ABAQUS/Explicit可能不能正确使用用户定义的材料数据，为了有效性，所有以表格形式给出的材料数据将自动地被规则化。在每一个材料计算点上，材料状态必须通过插值确定，为了计算效率，ABAQUS/Explicit用等距分布的点组成曲线拟合用户定义的曲线。这些规则化的材料曲线是在分析中的材料数据。理解在分析中所用的规则化的材料曲线与输入文件中给定的曲线间可能存在的差距是很重要的。ABAQUS/Explicit试图用足够多的间隔使得规则化数据与用户定义数据之间的最大误差小于3%。为了获得材料响应，ABAQUS/Explicit在规则化数据点之间线性插值，并假定在输入数据定义的范围之外响应为常数。除非是平面应力情况，在ABAQUS/Explicit中假设材料完全不可压缩是不可能的，因为在每个材料计算点上的程序没有施加这种约束的机制。,ABAQUS/Exlicit-Contact,当物体进行接触的时候，它们相互之间会产生法向压力和摩擦剪切力。接触分析的目的就是精确地确定模型的接触面积和由于摩擦引起的应力。接触与大多数约束的区别在于接触时不连续的，也就是说，只有在物体接触的时候才能引入接触约束。ABAQUS/Explicit的接触模型是基于一个表面与另一个表面发生接触的概念。一旦物体间接触时，需要定义表面相互作用的性能，例如摩擦系数。另一个选项是定义“点焊接”，它的刚度可以不断减弱，直至破坏，引起接触面脱离。,HISTORYOUTPUT选项，为模型的选定部分存储一个更为详尽的输出设置。伪应变能是用以控制沙漏变形的能量，输出变量ALLAE是累加的伪应变能。因为在板变形时，能量在塑性变形中耗散，总的内能远远大于单独的弹性应变能。所以，分析中最有意义的是将伪应变能与包括耗散能和弹性应变能的能量值相比较。后者是总应变能ALLIE，它是所有内能的数量和。伪应变能约为总应变能的1%，说明沙漏不是一个问题。,ABAQUSKnowledge,有限单元和刚性体是ABAQUS模型的基本构件。有限元可变形的，而刚性体在空间运动不改变形状。刚性体比变形体的优越性在于对刚性体运动的完全描述只需要在一个参考点上的最多6个自由度。相比之下，可变形的单元拥有许多自由度，需要昂贵的单元计算才能确定变形。自由度（dof）是在分析中计算的基本变量。对于应力/应变模拟，自由度是在每一节点处的平移。在ABAQUS中使用的关于自由度的顺序约定如下：11方向平移；22方向平移；33方向平移；4绕1轴的转动；5绕2轴的转动；6绕3轴的转动；7开口截面梁单元的翘曲；8声压、孔隙压力或静水压力；9电势；11实体单元的温度（或质量扩散分析中的一化浓度），或者在梁和壳的厚度上的第一点的温度；12+在梁和壳厚度上其他点的温度（继续增加自由度）。ABAQUS仅在单元节点处计算位移、转动、温度和其它自由度。在单元内的任何其它点处的位移是由节点位移插值获得的。通常插值的阶数由单元采用的节点数目决定。,ABAQUS-输出文件,从一个ABAQUS分析中可以输出4种类型的数据：1.结果输出保存在一个中间二进制文件中，由ABAQUS/CAE应用于后处理。这个文件称为ABAQUS输出数据库文件，文件后缀为.odb；2.结果以打印列表的形式输到ABAQUS数据（.dat）文件中。仅在ABAQUS/Standard有输出数据文件的功能；3.重启动数据应用于继续分析过程，输出在ABAQUS重启动（.res）文件中；4.结果保存在一个二进制文件中，用于第三方软件进行后处理，写入到ABAQUS结果（.fil）文件。.sta状态文件，该文件包括了分析进程的简单总结。,ABAQUS-Element,单元的数学描述是指用来定义单元行为的数学理论。在不考虑自适应网格的情况下，在ABAQUS中所有的应力/位移单元的行为都是基于拉格朗日或材料描述：在分析中，与单元关联的材料保持与单元关联，并且材料不能从单元流出和越过单元的边界。与此相反，欧拉或空间描述则是单元在空间固定，材料在他们之间流动。欧拉方法通常用于流体力学模拟。ABAQUS/Standard应用欧拉单元对流换热。在ABAQUS/Explicit中的自适应网格技术，将纯拉格朗日和欧拉分析的特点组合，允许单元的运动独立于材料。ABAQUS的某些单元族除了具有标准的数学公式描述外，还有一些其他可供选择的公式描述。具有其他可供选择的公式描述的单元由在单元名字末尾的附加字母来识别。如:C3D8R;C3D8H。ABAQUS应用数值方法对各种变量在整个单元体内进行积分。对于大部分单元，ABAQUS运用高斯积分方法来计算每一个单元内每一个积分点处的材料相应。在ABAQUS中，应尽可能地使用六面体或二阶修正的四面体单元。一阶四面体单元（C3D4）具有简单的常应变公式，为了得到精确地解答需要非常细化的网格。节点和单元的集合称为网格。在一个特定网格中的单元数量称为网格密度（Meshdenstiy）,ABAQUS-Element,ABAQUS的桁架单元只能承受横向载荷。View-PartDisplayOptions，用户可以在Mesh模块中显示节点和单元编号。,ABAQUS-Element,在进入Mesh模块时，根据将采用的网格生成方法，ABAQUS/CAE用颜色标识模型的各个区域：绿色表示能够用结构化网格划分技术生成网格的区域；黄色表示能够用扫掠网格划分技术生成网格的区域；粉红色表示能够用自由网格划分技术生成网格的区域；橙黄色表示不能使用默认的单元类型生成网格的区域，它必须被进一步分割。1、单元没有自由度，一般指的是节点自由度，3D实体单元的节点是只有三个平动自由度的；2、自由度的多少实际上决定了数学计算的矩阵，方程的复杂程度和大小，模型自由度=单元数量X节点数量X节点自由度数量；3、转动自由度是描述厚度方向的行为，简化单元（梁，壳）有旋转自由度来补偿本身的简化。体单元本身只需要三个平动自由度也可以描述厚度的行为；Themeshsizeinthefiniteelementanalysisisoneofthemostimportantfactorsthatshouldbecarefullyconsidered.,体积自锁（volumetriclocking）,在金属中塑性变形的不可压缩性质限制了可应用于弹-塑性模拟的单元类型，这是因为模拟不可压缩性质将增加对单元的运动学约束。在这种情况下，这个限制要求在单元积分点处的体积要保持常熟。在某些单元类型中，这些附加的不可压缩约束使单元产生了过约束。当这些单元不能消除所有这些约束时，就会经历体积自锁（volumetriclocking），引起单元的相应过于刚硬。通过从单元到单元或从积分点到积分点之间的静水压应力的迅速变化，表明产生了体积自锁。当模拟材料不可压缩特性时，在ABAQUS/Standard中的完全二次实体单元对体积自锁非常敏感，因此不能应用于弹-塑性问题的模拟。在ABAQUS/Standard中的完全积分一次实体单元不受体积自锁的影响，因为在这些单元中ABAQUS实际上采用了常熟体积应变。减缩积分的实体单元在很少的积分点上需要满足不可压缩约束，因此，不会发生过约束，并且可用于大多数弹-塑性问题的模拟。如果应变超过了20%-40%，在使用ABAQUS/Standard中的减缩积分二次单元时需要注意，因为在此数量级上他们可能会承受体积自锁。这种影响可以通过加密网格来降低。如果不得不使用ABAQUS/Standard的完全积分二次单元，则选用杂交单元（hybrid），但是这些单元中的附加自由度将使分析计算更加昂贵。,ABAQUS-网格无关性,所有的结果值与由粗网格预测结果进行了无量纲化的对比。应力峰值的收敛比位移慢得多，这是因为应力和应变是由位移的梯度计算得到的。而要预测准确的位移梯度比计算准确的位移所需的网格更密。粗糙的网格足以用来预测趋势和比较不同概念相互之间的表现如何不同。然而，应用由粗糙网格计算得到的位移和应力的具体量值应该很谨慎。一般来说，没有必要对所分析的结构全部采用均匀的细分网格。应该在出现高应力梯度的地方采用细网格，而在低应力梯度或应力量值不被关注的地方采用粗网格。,ABAQUS-CONTACT,接触模拟的一般目的是确定发生接触的面积和计算所产生的接触压力。在有限元分析中，接触条件式一类特殊的不连续约束，它允许力从模型的一部分传递到另一部分。因为只有当两个表面发生接触时才会有约束产生，而当两个模型的面分开时，就不存在约束作用了，所以这种约束是不连续的。分析必须能够判断什么时候两个表面发生接触并采用相应的接触约束。类似地，分析能够判断什么时候两个表面分开并接触约束。在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit中的接触模拟功能具有明显的差异。接触之间的相互作用包含两部分：一部分是接触面间的法向作用，另一部分是接触面间的切向作用。在ABAQUS/Standard中，在两个结构之间定义接触首先是要创建表面。下一步是创建接触相互作用，使两个可能发生互相接触的表面成对。然后定义控制发生接触表面行为的力学性能模型。如同每个单元都必须具有一种单元属性一样，每个接触相互作用必须赋予一种接触属性。在接触属性中包含了本构关系，诸如摩擦和接触压力与空隙的关系。将从构成表面的每条线段和弧线段的起点至终点逆时针旋转90的矢量得到的方向定义为解析刚性表面的法向。,ABAQUS-CONTACT,在ABAQUS/Explicit中，接触作为一种约束被引入，就好像一种边界条件，并且可以在模拟运动的过程中随意引入或解除。在任意给定时刻确定接触表面中相互接触的部分是接触分析中花费最为昂贵的部分。ABAQUS/Explicit提供了两种模拟接触相互作用的算法。通过接触(generalcontact)算法允许非常简单地定义接触，对于接触表面的类型限制很少；接触对（contactpair)算法对于接触表面的类型有比较严格的限制，并常常要求更加小心地定义接触，但它允许模拟一些采用通用接触算法还不能够模拟相互作用行为。在ABAQUS/Explicit中接触的数学描述包括约束增强方法（constraintenforcementmethod）、接触表面权重（contactsurfaceweighting）、跟踪搜索（trackingapproach）和滑移公式（slidingformulation）单纯的主-从接触算法；平衡主-从接触简单地应用了两次单纯主-从接触算法。,ABAQUS-CONTACT,使用通用接触算法的表面可以跨越多个互不相连的物体。两个以上的表面面元可以享用一条边界。相反地，在接触对算法中应用的所有表面必须是连续的和简单连接的。一般地，使用大量的刚体单元来定义刚性表面，不会显著地增加CPU成本。然而，大量的刚体单元确实明显增加了过多的内存。束缚（tie）约束防止了再初始时相互接触的表面发生侵彻、分离或相对滑动。因此，束缚约束是一种简单意义的网格细化。由于在两个表面之间存在的任何缝隙，无论它多多么小，都将导致节点不能与对面的边界发生束缚。在分析开始时，必须调整节点以保证两个表面准确地接触在一起。束缚约束的公式约束了平移自由度和可选择的转动自由度。当应用束缚接触于结构单元时，必须保证任何没有约束的转动不会带来问题。对于动力学接触，即便是一个非常小的初始过盈量，都可能会引起极大的加速度。,子程序,用户自定义子程序（UserSubroutine）涵盖了建模、载荷到单元的几乎各个部分。ABAQUS为用户提供了强大而又灵