abaqus6.12-典型实例分析.doc

1.应用背景概述随着科学技术的发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具。但当今由于交通事故造成的损失日益剧增，研究汽车的碰撞安全性能，提高其耐撞性成为各国汽车行业研究的重要课题。目前国内外许多著名大学、研究机构以及汽车生产厂商都在大力研究节省成本的汽车安全检测方法，而汽车碰撞理论以及模拟技术随之迅速发展，其中运用有限元方法来研究车辆碰撞模拟得到了相当的重视。而本案例就是取材于汽车碰撞模拟分析中的一个小案例保险杠撞击刚性墙。2.问题描述该案例选取的几何模型是通过导入已有的*.IGS文件来生成的（已经通过Solidworks软件建好模型的），共包括刚性墙（PART-wall）、保险杠（PART-bumper）、平板（PART-plane）以及横梁（PART-rail）四个部件，该分析案例的关注要点就是主要吸能部件（保险杠）的变形模拟，即发生车体碰撞时其是否能够对车体有足够的保护能力？这里根据具体车体模型建立了保险杠撞击刚性墙的有限元分析模型，为了节省计算资源和时间成本这里也对保险杠的对称模型进行了简化，详细的撞击模型请参照图1所示，撞击时保险杠分析模型以2000mm/s的速度撞击刚性墙，其中分析模型中的保险杠与平板之间、平板与横梁之间不定义接触，采用焊接进行连接，对于保险杠和刚性墙之间的接触采用接触对算法来定义。1.横梁（rail） 2.平板（plane） 3.保险杠（bumper） 4.刚性墙（wall）图2.1 碰撞模型的SolidWorks图为了使模拟结果尽可能真实，通过查阅相关资料，定义了在碰撞过程中相关的数据以及各部件的材料属性。其中，刚性墙的材料密度为7.8310-9，弹性模量为2.07105，泊松比为0.28； 保险杠、平板以及横梁的材料密度为7.8310-9，弹性模量为2.07105，泊松比为0.28，塑形应力-应变数据如表2.1所示。表2.1 应力-应变数据表应力210300314325390438505527应变0.00000.03090.04090.05000.15100.30100.70100.9010注：本例中的单位制为：ton，mm，s。3. 案例详细求解过程本案例使用软件为版本为abaqus6.12，各详细截图及分析以该版本为准。3.1 创建部件（1）启动ABAQUS/CAE，创建一个新的模型数据库，重命名为The crash simulation，保存模型为The crash simulation.cae。 （2） 通过导入已有的*.IGS文件来创建各个部件，在主菜单中执行【File】【Import】【Part】命令，选择刚刚创建保存的的bumper_asm.igs文件，弹出【Create Part From IGS File】对话框如图3.1所示，根据图3.1所示设定【Repair Options】的相关选项，其它参数默认，单击【Ok】按钮，可以看到在模型树中显示了导入的部件bumper_asm。 图3.1 Create Part From IGS File对话框（3） 从【Module】列表中选择【Part】，进入【Part】模块，通过鼠标左键选择模型树中模型Parts（1）下面的bumper_asm部件，并单击鼠标右键选择Copy命令，弹出【Part Copy】对话框如图3.2所示，在【Part Copy】对话框提示区中输入bumper，并在【Copy Options】中选择【Separate disconnected regions into parts】选项，单击【Ok】按钮完成导入几何模型四个部件的分离，这时我们可以看到模型树上模型Parts（1）下有五个部件，分别为bumper_asm、bumper_1、bumper_2、bumper_3、和bumper_4，选择bumper_asm部件单击鼠标右键并选择Delete命令删除此部件，此时模型Parts（1）下只剩下了四个部件，分别为bumper_1、bumper_2、bumper_3、和bumper_4，将部件bumper_1、bumper_2、bumper_3、和bumper_4分别对应更名为wall（刚性墙）如图3.3所示、bumper（保险杠）如图3.4所示、plane（平板）如图3.5所示和rail（横梁）如图3.6所示。图3.2 Part Copy 对话框图3.3 部件wall（刚性墙）模型图1. 与plane连接部位图3.4 部件Bumper（保险杠）的模型图.1与部件bumper连接区域 2. 与部件rail连接区域图3.5 部件plane（平板）模型图1.与部件bumper连接区域图3.6 部件rail（横梁）模型图3.2 定义材料属性（3） （1）从【Module】列表中选择【Property】，进入【Property】模块，单击工具箱中 （Create Material），弹出【Edit Material】对话框，输入材料名称Material-wall，执行【General】【Density】，输入材料密度7.83E-9，执行【Mechanical】【Elasticity】【Elastic】，输入弹性模量2.07E3，泊松比0.28，单击【OK】按钮，完成材料Material-wall的定义；继续创建另外一种材料，材料名称为Material-bumper -plane -rail（三种材料的参数数据是完全一样的），执行【General】Density，输入材料密度7.83E-9，执行【Mechanical】【Elasticity】【Elastic】，输入弹性模量2.07E3，泊松比0.28，执行【Mechanical】【Plasticity】【Plastic】，输入如图3.7塑性数据，单击【OK】按钮，完成材料Material-bumper -plane -rail的定义。 图3.7 塑性数据（2） 单击工具箱中 （Create Section），弹出【Create Section】对话框，如图3.8所示，创建一个名称为Section-wall的均匀壳截面，单击Continue按钮，弹出【Edit Section】对话框，如图3.8所示，在Shell thickness（壳厚度）文本框内输入1，材料使用Material-wall，为了提高运算效率我们选用默认的Simpson积分算法，在壳体厚度方向上布置3个积分点，Section-wall的截面属性参数设置完成后如图3.8所示；按照上述方法继续创建另外三个截面属性，名称分别为：Section-bumper、Section-plane、Section-rail，壳体厚度分别为1、2、3，材料使用Material-bumper -plane -rail，算法选用默认的Simpson积分算法，壳体厚度方向上布置3个积分点。单击工具箱中 （Assign Section），把截面属性Section-wall、Section-bumper、Section-plane以及Section-rail分别赋予部件wall、部件bumper、部件plane和部件rail。截面属性被赋予成功后，部件颜色为橙黄色。如图3.9所示。图3.8 Edit Section编辑框图3.9 被赋予截面属性的bumper部件3.3 定义装配部件从【Module】列表中选择【Assembly】，进入【Assembly】模块，单击提示区中 （Instance Part），在弹出的【Create Instance】对话框中依次选中部件wall、部件bumper、部件plane和部件rail，单击【OK】按钮，创建了各个部件的实例，其中各个实例已经按照默认位置装配完成，各个实例最终装配模型如图3.10所示。图3.10 整体装配模型3.4 定义网格划分（1）从【Module】列表中选择【Mesh】，进入【Mesh】模块，环境栏中Object选择Part：wall，单击工具箱中 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：30，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中 （Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，Element Shape栏中选择单元形状为Quad，Technique栏中选择 Free，单击【OK】按钮；单击工具箱中 （Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），单击提示区【Yes】按钮，完成部件wall的网格划分。划分好的网格如图3.11所示。图3.11 部件wall的网格划分（2） 从环境栏中Object选择Part：bumper，单击工具箱中 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：15，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置，执行【Seed Edge】【Biased】命令，用鼠标左键选择如图3.13所示左边的两条曲线，选择时鼠标尽量靠近图示箭头指向曲线的一半区域，单击信息提示区的【Done】按钮，在信息提示区输入Bias ratio（=1）：2.0，回车，输入种子数为20，单击【Done】按钮；继续执行【Seed Edge】【Biased】命令，用鼠标左键选择如图3.13所示右边的四条曲线，注意箭头指向方向，单击信息提示区的【Done】按钮，在信息提示区输入Bias ratio（=1）：3.0，回车，输入种子数为4，单击【Done】按钮完成种子设置。单击工具箱中（Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件bumper，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图3.12所示，单击【OK】按钮。单击工具箱中 （Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），单击提示区【Yes】按钮，完成部件bumper的网格划分。图3.12 Mesh Control对话框图3.13 部件bumper网格局部加密示意图（3）从环境栏中Object选择Part：plane，单击工具箱中 （Seed Part），弹出【Global Seeds】对话框，输入Approximate global size：15，其它参数设置选择默认，单击【OK】按钮，完成种子的设置；单击工具箱中 （Assign Mesh Controls），根据信息区提示选择整个部件Part-rigid-plane，单击【Done】按钮，弹出【Mesh Controls】对话框，设置如图3.12所示，单击【OK】按钮；单击工具箱中（Assign Element Type），选择Explicit、Linear、Shell，即选择四边形减缩壳体单元S4R；单击工具箱中 （Mesh Part），单击提示区【Yes】按钮，完成部件plane的网格划分，按照如同部件plane网格划分参数的设定完成部件rail的网格划分。 （4）从环境栏中Object选择Assembly，单击工具箱中 （Verify Mesh），框选整个分析模型（包括四个部件），单击提示区中【Done】按钮，弹出【Verify Mesh】对话框，在Type栏中选择Analysis Checks，单击【Highlight】按钮，可以统计整个分析模型各个实例的网格信息如下所示： Part instance: bumper-1 Number of elements : 1518, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: plane-1 Number of elements : 120, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: rail-1 Number of elements : 204, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) Part instance: wall-1 Number of elements : 425, Analysis errors: 0 (0%), Analysis warnings: 0 (0%) 通过分析模型的网格分析检查所知，各实例模型网格质量没有警告和错误信息。其检查结果如图3.14所示。图3.14 网格质量检查3.5 定义接触（1） 从Module列表中选择Interaction，进入Interaction模块，执行【Interaction】【Property】【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Interaction Property），在弹出的【Create Interaction Property】对话框中输入接触属性名称IntProp-nofric，Type选择Contact，单击【Continue】按钮，进入【Edit Contact Property】对话框，接受该属性的所有默认设置，定义了一个无摩擦接触属性。 第十二步 执行【Tools】【Reference Point】命令，在图形窗口选择实例wall的任意一个角点，创建一个参考点RP-1。执行【Tools】【Display Group】【Create】命令，弹出【Create Display Group】对话框，如图3.15所示，选择Part instances：bumper-1，单击【Replace】按钮，图形窗口界面只显示了实例bumper。执行【Constraint】【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Constraint），弹出【Create Constraint】对话框，输入Name：Constraint-rigid-wall，选择Type：Rigid body，单击【Continue】按钮，弹出【Edit Constraint】对话框，如图3.16所示，Region type中选择Body（elements），单击右部的【Edit】按钮，在图形窗口中选择实例wall的全部，单击提示区中【Done】按钮，返回【Edit Constraint】对话框，单击Reference Point栏中Point后面的【Edit】按钮，在图形窗口选择参考点RP-1，返回【Edit Constraint】对话框，单击【OK】按钮，把实例wall约束成刚体。 图3.15 Create Display Group对话框图3.16 Edit Constraint 对话框（2） 执行【Interaction】【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Interaction），在【Create Interaction】对话框中输入接触名称Int-wall-bumper，分析步选择Initial，接触类型选择选择Surfacc-to-surface contact（Explicit），单击【Continue】按钮，根据提示区信息选择刚性墙作为主面，单击鼠标中键，根据信息提示区选择Brown颜色作为刚性墙法向方向，选择从面类型为Surface，运用显示组命令是图形界面只显示实例bumper，选取整个实例bumper，单击鼠标中键，选择Purple颜色作为保险杠接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【Edit Interaction】对话框，接触属性对话框的各项设置如图3.17所示，单击【OK】按钮，完成实例刚性墙和保险杠接触关系的设置。 图3.17 Edit Interaction对话框（3） 执行【Constraint】【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Constraint），弹出【Create Constraint】对话框，输入Name：Constraint-plane-bumper，选择Type：Tie，单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface，根据提示区信息选择“与部件bumper Tie区域”作为主面，并选择Purple颜色作为平板接触的法向方向，单击鼠标中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface，选择“与部件plane Tie区域”作为从面，并选择Brown颜色作为保险杠接触法向方向，单击鼠标中键，弹出【Edit Constraint】对话框，各参数设定如图3.18所示，单击【OK】按钮，完成实例plane和实例bumper之间的焊接设定。 图3.18 Edit Constraint对话框（4） 按照步骤（3）的方法设定实例plane和实例rail之间的焊接。执行【Constraint】【Create】命令，弹出【Create Constraint】对话框，输入Name：Constraint-plane-rail，选择Type：Tie，单击【Continue】按钮，选择主面类型为Surface，根据提示区信息选择的“与部件rail Tie区域”作为主面，并选择Brown颜色作为平板接触法向方向，单击鼠标中键，完成主面定义；根据提示区信息选择从面类型为Surface，选择的“与部件plane Tie区域”作为从面，并选择Purple颜色作为横梁接触的法向方向，单击鼠标中键，弹出【Edit Constraint】对话框，如图3.18所示，在Specify distance后面的文本框内输入5.0，单击【OK】按钮，完成实例plane和实例rail之间的焊接设定。3.6 定义分析步 （1） 从Module列表中选择Step， 进入Step 模块，单击工具箱中 （Create Step），弹出【Create Step】对话框，输入分析步名称为Step-crash，选择分析步类型为General：Dynamic，Explicit，单击【Continue】按钮，进入【Edit Step】对话框，输入分析步描述Description：the crash simulation of bumper to wall，分析步Time period：0.01，单击【OK】按钮，完成一个动态显式分析步定义，其中选项Nlgeom默认为ON。 （2） 执行【Output】【Restart Requests】命令，弹出【Edit Restart Requests】对话框，如图3.19所示，勾选Overlay和Time Marks下面的复选框，单击【OK】按钮，完成创建重启动要求。 图3.19 Edit Restart Requests对话框（3） 执行【Output】【Field Output Requests】【Manager】命令，弹出【Field Output Requests Manager】对话框，单击【Edit】按钮，进入【Edit Field Output Request】对话框，设置Domain：Whole model，Frequency：Every spaced time intervals，Interval：20，Timing：Output at approximate times，Output Variables：CFORCE,LE,S,U，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【Field Output Requests Manager】对话框。 第十九步 执行【Output】【History Output Requests】【Manager】命令，弹出【History Output Requests Manager】对话框，单击【Edit】按钮，进入【Edit History Output Request】对话框，设置Domain：Whole model，Frequency：Every spaced time intervals，Interval：200，Timing：Output at approximate times，Output Variables：ALLIE,ALLKE,ETOTAL，单击【OK】按钮，单击【Dismiss】按钮，退出【History Output Requests Manager】对话框，完成分析结果数据输出的设定。 （4） 为速度场的施加创建一个类型为Geometry的集合，执行【Tools】【Set】【Create】命令，弹出【Create Set】对话框，输入集合名称：Set-velocity，Type默认为Geometry，单击【Continue】按钮，进入图形窗口选择包括实例bumper、实例plane和实例rail的全部几何特征，完成集合Set-velocity的创建。3.7 定义边界条件及载荷 （1）从Module列表中选择Load，进入Load模块，执行【BC】【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Boundary Condition），在弹出的【Create Boundary Condition】对话框中输入边界条件名称BC-fixed-wall，Step选择Initial，边界条件类型选择Displacement/Rotation，单击【Continue】按钮，选择实例wall上的参考点RP-1，单击信息提示区【Done】按钮，在【Edit Boundary Condition】对话框中选中U1UR3前面所有的复选框，单击【OK】按钮，完成了实例wall的约束施加。 继续按照上述步骤创建一个新的边界条件，名称BC-symm-bumper，Step选择初始步Initial，在对话框中选择Mechanical：Symmetry/Antisymmetry/Encastre，单击【Continue】按钮，在弹出的【Region Selection】对话框中选择实例bumper对称边界线，单击【Continue】按钮，在【Edit Boundary Condition】对话框中选中YSYMM前面的复选框，单击【OK】按钮，完成实例bumper对称边界条件的施加。（3） 执行【Predefined Field】4【Create】命令，或者单击工具箱中 （Create Predefined Field），在弹出的【Create Predefined Field】对话框中输入名称Predefined Field-velocity，Step选择初始步Initial，Category选择Mechanical，Types for Selected Step选择Velocity，单击【Continue】按钮，单击底部信息提示区后面的【Sets】按钮，弹出【Region Selection】对话框，选择Set-velocity集合，单击【Continue】按钮，进入【Edit Predefined Field】对话框，选择Translational only（只有平动），输入V1：-2000，V2：0.0，V3：0.0，单击【OK】按钮，完成保险杠模型速度场的定义如图3.20所示。 图3.20 保险杠模型速度场3.8 定义分析作业执行【Job】【Create】命令，或者单击工具箱中 ，在弹出对话框中输入作业名称Job-crash，Source选择Model：mobile-1，单击【Continue】按钮，在【Edit Job】对话框中输入对作业的描述Description：the crash simulation，作业类型为Full analysis，切换到“Memory”选项卡，根据计算机的实际内存来设置Analysis Input File Processor memory和ABAQUS/Standard memory cap的数值（作者本人全设定为400）。单击【OK】按钮，完成作业定义。单击【Submit】按钮提交作业，作业计算完成后单击【Job Manager】对话框中的【Results】按钮进入Visualization模块。3.9 结果分析和处理 （1） 执行【Plot】【Contours】【On Deformed Shape】命令，或者单击工具箱中 ，显示模型变形后的Mises应力云图，执行【View】【ODB Display Options】命令，弹出【ODB Display Options】对话框，切换到“Mirror/pattern”选项卡，Mirror Planes选中XZ坐标平面，单击【Apply】按钮，显示了整个保险杠模型和刚性墙碰撞瞬间（0.01s）的Mises应力云图如图3.21所示。图3.21 应力云图 （2） 执行【Result】【History Output】命令，弹出【History Output】对话框，在对话框中选中ALLIE，ALLKE以及ETOTAL，单击【Plot】按钮，显示系统内能曲线，系统的动能曲线以及系统总能量曲线如图3.22所示，从图中可以看到系统的总能量是守恒的。图3.22 总能量曲线（3） 执行【Plot】【Contours】【On Deformed Shape】命令，或者单击工具箱中 ，显示模型变形后的Mises应力云图，执行【Result】【Field Output】命令，弹出【Field Output】对话框，在对话框中选中U，单击【Apply】按钮，显示模型的位移变形图如图3.23所示。图3.23 模型的位移变形图（4）执行【Plot】【Contours】【On Deformed Shape】命令，或者单击工具箱中 ，显示模型变形后的Mises应力云图，执行【Result】【Field Output】命令，弹出【Field Output】对话框，在对话框中选中保险杠模型的CPRESS，单击【Apply】按钮，显示保险杠和刚性墙碰撞的法向接触力如图3.24所示。 图3.24 保险杠和刚性墙碰撞的法向接触力4. 问题回顾与总结案例中遇到的专业名词及解释：（1） 弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。弹性模量的单位是达因每平方厘米。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。（2） 泊松比：材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。个人总结：通过对该门课程的学习，熟悉了abaqus软件的使用过程并掌握了一定的分析方法。在建模过程中，尤其是对保险杠的网格划分上遇到了很多困难，这里主要注意保险杠的局部网格加密，在步骤中有详细说明。刚开始提交分析结果的时候，应力云图一直没有预想的效果，后来通过检查发现加载的步骤出了问题。刚开始速度的设定值较小，以致保险杠未能与刚性墙接触。最后通过适当增大速度的值，问题得到了有效地解决。最后，通过对该案例分析进行分析，模拟在高度撞击过程中车辆保险杠吸能的情况，从本案例的后处理结果来看，其碰撞过程后保险杠模型的应力云图、变形云图以及能量变化曲线等都能说明保险杠通过内能的转化吸收完全可以消化碰撞过程中系统大部分的动能。近年来运用有限元分析来模拟汽车安全测试项目受到了各科研院所以及汽车研发公司的大力推展，从这个实例也可以看出有限元分析可以从各个角度来显现碰撞后保险杠的设计是否能达到汽车安全要求。通过保险杠撞击刚性墙分析案例可以掌握以下几个知识点： 运用壳体进行分析模型的简化； 焊接的处理，即Tie的运用； 重启动分析的定义。通过对实例的分析和研究，使自己能慢慢熟练这样一种受力分析工具，在今后的学习中一定会发挥更重要的作用。5. inp文件适当简化及注释*Heading the crash simulation* Job name: Job-crash Model name: Model-1* 设置DAT文件中记录的内容*-* 定义部件bumper*Part, name=bumper* 定义节点：编号和坐标*Node 1, 996.5, 299.829987, 545.* 定义单元：类型、单元编号和节点编号*Element, type=S4R 1, 1, 39, 475, 78 2, 39, 40, 476, 475* 定义单元集合Set_1*Elset, elset=Set-1, generate1, 2381, 1* 为参考点定义节点集合_PickedSet20*Nset, nset=_PickedSet20, internal, generate1, 2460, 1* 定义单元集合_PickedSet20*Elset, elset=_PickedSet20, internal, generate1, 2381, 1* 定义截面属性：单元集合_PickedSet20的材料为Material-bumper-rail-plane* Section: Section-bumper*Shell Section, elset=_PickedSet20, material=M