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Abaqus：Abaqus显式动力学分析技术教程1Abaqus显式动力学分析简介1.1Abaqus显式模块概述Abaqus/Explicit是一款专门用于解决高速、瞬态动力学问题的有限元分析软件模块。它采用显式时间积分方法，能够高效地模拟材料在极端条件下的动态响应，如碰撞、爆炸、高速冲击等。显式方法的特点在于，它不需要求解大型线性方程组，而是通过逐步推进时间步长来计算模型的响应，这使得它在处理非线性问题和大变形问题时具有显著优势。1.1.1显式时间积分原理显式时间积分基于质量矩阵和刚度矩阵的直接关系，通过计算当前时间步的加速度，进而预测下一时间步的速度和位移。这一过程可以表示为：M其中，M是质量矩阵，C是阻尼矩阵，K是刚度矩阵，u，u，u分别代表加速度、速度和位移，F是外力向量。在显式方法中，M和K的关系被直接利用，无需求解Ku1.1.2代码示例：创建Abaqus/Explicit分析步#Abaqus/Explicit分析步创建示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

timePeriod=1.0,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(stepType=EXPLICIT)在上述代码中，我们首先从Abaqus的模块中导入必要的包。然后，创建一个名为Step-1的静态分析步，设置其前一步为Initial，时间周期为1.0秒，并开启几何非线性选项nlgeom=ON。最后，将分析步类型设置为显式EXPLICIT。1.2显式动力学分析的应用领域Abaqus/Explicit在多个工程领域有着广泛的应用，包括但不限于：汽车碰撞测试：模拟车辆在不同速度下的碰撞，评估结构安全性和乘员保护。爆炸和冲击波分析：研究爆炸对结构的影响，以及冲击波的传播特性。生物力学：分析生物组织在高速冲击下的损伤机制。材料科学：研究材料在极端条件下的动态行为，如动态断裂和塑性流动。1.3显式与隐式分析的区别显式和隐式分析是有限元分析中的两种主要时间积分方法，它们在求解动力学问题时有着本质的区别：求解器类型：显式求解器使用无条件稳定的时间积分方案，而隐式求解器则依赖于条件稳定的时间积分方案。时间步长：显式分析的时间步长通常由波速和网格尺寸决定，需要满足CFL条件，以确保数值稳定性；隐式分析的时间步长则由求解的收敛性决定，可以较大。计算效率：显式分析在处理非线性问题和大变形问题时，由于无需求解大型线性方程组，因此计算效率较高；隐式分析在处理线性问题时，由于可以使用较大的时间步长，因此在某些情况下可能更高效。适用问题：显式分析更适合解决高速、瞬态的动力学问题；隐式分析则更适合解决低速、静态或准静态问题。1.3.1代码示例：设置显式分析的输出频率#设置显式分析的输出频率

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(frequency=100)在本例中，我们设置Step-1的输出频率为每100个时间步输出一次结果，这对于分析高速动力学问题时的模型响应非常有用。通过上述介绍，我们可以看到Abaqus/Explicit在处理高速动力学问题时的强大能力，以及它与隐式分析在原理和应用上的区别。在实际工程分析中，选择合适的分析方法对于准确预测模型行为至关重要。2Abaqus:显式动力学分析-前处理：模型建立与网格划分2.1创建几何模型在进行显式动力学分析前，首先需要在Abaqus中创建几何模型。这一步骤涉及定义模型的形状、尺寸以及可能的复杂结构。Abaqus提供了多种工具来创建和导入几何模型，包括直接在软件中构建模型、从CAD软件导入模型或使用IGES、STEP等格式的文件。2.1.1示例：创建一个简单的立方体模型fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#执行Abaqus启动脚本

executeOnCaeStartup()

#创建一个立方体

mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,100.0))

mdb.models['Model-1'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Cube',type=DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].BaseSolidExtrude(depth=100.0,sketch=mdb.models['Model-1'].sketches['__profile__'])2.2材料属性定义定义材料属性是显式动力学分析中的关键步骤，它决定了模型在受力时的行为。在Abaqus中，可以定义多种材料属性，包括弹性模量、泊松比、密度、塑性行为等。2.2.1示例：定义钢材的材料属性#定义材料

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

#定义弹性属性

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200e9,0.3),))

#定义密度

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Density(table=((7850.0,),))2.3边界条件与载荷设置边界条件和载荷的设置直接影响分析结果的准确性。边界条件可以是固定约束、滑动约束等，而载荷可以是力、压力、温度等。在Abaqus中，这些可以通过定义实例上的面、边或点来实现。2.3.1示例：应用固定约束和力载荷#应用固定约束

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].Set(name='Set-1',vertices=mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].vertices.findAt(((0.0,0.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='Fixed',createStepName='Initial',region=mdb.models['Model-1'].sets['Set-1'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#应用力载荷

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].Set(name='Set-2',faces=mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].faces.findAt(((100.0,100.0,100.0),),))

mdb.models['Model-1'].SurfaceTraction(name='Force',createStepName='Step-1',region=mdb.models['Model-1'].sets['Set-2'],magnitude=1000.0,directionVector=(0.0,0.0,-1.0),distributionType=UNIFORM,field='',localCsys=None)2.4网格划分与质量检查网格划分是将模型分解为多个小的单元，以便进行数值计算。在Abaqus中，可以使用自动网格划分或手动定义网格。网格质量检查确保网格适合分析，避免计算错误。2.4.1示例：自动网格划分和质量检查#自动网格划分

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].setMeshControls(regions=mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].cells,technique=STRUCTURED)

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].setElementType(regions=mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].cells,elemTypes=(ElemType(elemCode=C3D8R,elemLibrary=STANDARD),))

#网格划分

mdb.models['Model-1'].parts['Cube'].generateMesh()

#质量检查

mdb.models['Model-1'].checkMesh()在上述示例中，我们首先创建了一个立方体模型，然后定义了钢材的材料属性，包括弹性模量和密度。接着，我们应用了固定约束和力载荷，最后进行了自动网格划分并检查了网格质量。这些步骤是进行显式动力学分析前处理的基本组成部分，确保了模型的准确性和计算的可行性。3Abaqus显式动力学分析设置3.1分析步的定义在Abaqus中，显式动力学分析通常涉及多个分析步，每个步骤可以有不同的边界条件、载荷和时间范围。定义分析步是进行动力学分析的关键步骤之一。3.1.1原理显式动力学分析采用时间步长有限元方法，通过迭代求解动力学方程来模拟结构在瞬态载荷下的响应。每个分析步可以独立设置时间步长、终止时间、输出频率等参数，以适应不同阶段的分析需求。3.1.2内容在Abaqus/CAE中，可以通过分析模块来定义分析步。在显式动力学分析中，通常需要设置以下参数：分析步类型：选择“显式动力学”。时间步长：可以设置为自动或手动。自动时间步长基于模型的特征尺寸和材料属性自动计算。终止时间：定义分析的总时间。输出频率：控制结果文件的输出间隔。3.1.3示例#定义显式动力学分析步

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

#更改分析步类型为显式动力学

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(stepType=EXPLICIT)

#设置终止时间

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(timePeriod=0.1)

#设置输出频率

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(nLs=100)在上述代码中，我们首先创建了一个静态分析步，然后将其类型更改为显式动力学，并设置了终止时间和输出频率。3.2时间步长控制时间步长控制是显式动力学分析中确保计算稳定性和精度的重要环节。3.2.1原理时间步长的选择直接影响计算的效率和结果的准确性。在Abaqus中，时间步长可以自动调整，以满足稳定性条件和用户定义的精度要求。3.2.2内容时间步长控制可以通过以下方式实现：自动时间步长：Abaqus根据模型的特征尺寸和材料属性自动计算时间步长。手动时间步长：用户可以指定固定的时间步长或最小和最大时间步长。3.2.3示例#设置自动时间步长控制

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(minInc=1e-06,maxInc=1e-03)

#设置手动时间步长

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(initialInc=1e-05,maxInc=1e-03)在第一个代码示例中，我们设置了最小和最大时间步长，以允许Abaqus自动调整时间步长。在第二个示例中，我们指定了初始和最大时间步长，以进行手动控制。3.3接触对的设置接触对的设置是显式动力学分析中模拟结构间相互作用的关键。3.3.1原理在显式动力学分析中，接触对的设置用于描述不同部件之间的接触行为，包括接触类型、摩擦系数和接触算法。3.3.2内容接触对的设置通常包括：接触类型：可以选择表面-表面接触或节点-表面接触。摩擦模型：定义接触面之间的摩擦行为。接触算法：选择接触算法，如罚函数法或拉格朗日乘子法。3.3.3示例#定义接触对

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建接触对

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-1')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))

#设置接触对

mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',

createStepName='Step-1',

master='Master-Surf',

slave='Slave-Surf',

sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-1')在上述代码中，我们首先定义了接触属性，然后创建了一个接触对，指定了接触类型、接触算法和摩擦系数。3.4输出请求与监控点输出请求和监控点的设置用于控制分析结果的输出和监控关键点的响应。3.4.1原理在显式动力学分析中，输出请求用于指定哪些结果需要保存，而监控点则用于实时监控模型中特定位置的响应。3.4.2内容输出请求和监控点的设置包括：输出请求：可以请求输出位移、应力、应变等结果。监控点：定义模型中需要监控的点，可以输出这些点的位移、速度、加速度等。3.4.3示例#设置输出请求

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#请求输出位移和应力

mdb.models['Model-1'].HistoryOutputRequests['F-Output-1'].setValues(

variables=('U','S'))

#定义监控点

mdb.models['Model-1'].NodeOutputRequest(name='N-Output-1',

createStepName='Step-1',

variables=('U','RF'),

region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.sets['Set-1'])

#输出监控点结果

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(outputAtSolution=INTEGRATION_POINT)在上述代码中，我们设置了历史输出请求，请求输出位移和应力。然后定义了一个监控点，输出该点的位移和反力。最后，我们设置了输出请求，以在每个时间步的积分点处输出结果。以上示例展示了如何在Abaqus中进行显式动力学分析的设置，包括分析步的定义、时间步长控制、接触对的设置以及输出请求和监控点的配置。通过这些设置，可以有效地控制分析过程，确保计算的稳定性和结果的准确性。4后处理：结果分析与可视化4.1结果文件的读取在Abaqus中，显式动力学分析的结果通常存储在.odb文件中，这是Abaqus的二进制输出数据库格式。读取这些文件进行后处理，可以使用Python脚本结合Abaqus/CAE的session和odbAccess模块。下面是一个读取.odb文件的示例代码：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打开ODB文件

odb=openOdb('mySimulation.odb')

#获取模型实例

instance=odb.rootAssembly.instances['PART-1-1']

#获取最后一步的输出

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

lastFrame=odb.steps[lastStep].frames[-1]

#关闭ODB文件

odb.close()这段代码首先导入了必要的模块，然后使用openOdb函数打开一个名为mySimulation.odb的文件。接着，它获取模型中的实例，并读取最后一步的最后一个时间帧的数据。最后，关闭了ODB文件以释放资源。4.2位移、应力和应变的可视化可视化位移、应力和应变是理解结构动力响应的关键。Abaqus/CAE提供了直观的图形界面来展示这些结果，但也可以通过Python脚本进行更定制化的可视化。以下是一个示例，展示如何可视化位移：#继续使用上述打开的odb

odb=openOdb('mySimulation.odb')

instance=odb.rootAssembly.instances['PART-1-1']

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

lastFrame=odb.steps[lastStep].frames[-1]

#创建一个Viewport并显示位移

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=instance)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMED,))

#设置位移比例因子

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.deformedMagOption=SPECIFIED

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.deformedMag=10

#关闭ODB文件

odb.close()在这个例子中，我们首先设置Viewport显示模型实例，然后通过odbDisplay.display.setValues函数将显示模式设置为变形状态，以可视化位移。我们还设置了位移的比例因子，使其放大10倍，以便更清晰地看到位移的变化。4.3结果的定量分析定量分析结果通常涉及提取特定时间点或区域的数据，如最大位移、应力或应变。这可以通过Python脚本实现，下面是一个示例，展示如何提取最大位移：#继续使用上述打开的odb

odb=openOdb('mySimulation.odb')

instance=odb.rootAssembly.instances['PART-1-1']

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

lastFrame=odb.steps[lastStep].frames[-1]

#提取最大位移

maxDisplacement=max([nodeLabelAndDisplacement[1]fornodeLabelAndDisplacementinlastFrame.fieldOutputs['U'].getSubset(region=instance).values])

#打印最大位移

print('最大位移:',maxDisplacement)

#关闭ODB文件

odb.close()这里，我们从lastFrame中提取了位移场数据U，并使用Python的列表推导和max函数来找到最大位移值。getSubset函数用于限制数据提取的区域，这里我们提取了整个实例的数据。4.4动画与变形显示创建动画可以帮助理解结构在动力学分析过程中的动态行为。Abaqus/CAE允许用户通过Python脚本生成动画。下面是一个简单的动画生成示例：#打开ODB文件

odb=openOdb('mySimulation.odb')

instance=odb.rootAssembly.instances['PART-1-1']

#创建Viewport并设置显示

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=instance)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMED,))

#设置动画参数

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.playAnimation(startTime=0,endTime=1,frameIncrement=0.1)

#关闭ODB文件

odb.close()在这个例子中，我们首先设置了Viewport显示模型实例，并将显示模式设置为变形状态。然后，使用playAnimation函数来播放动画，其中startTime和endTime定义了动画的时间范围，frameIncrement定义了时间步长。通过上述示例，我们可以看到如何使用Python脚本结合Abaqus的后处理功能来读取、可视化和分析显式动力学分析的结果。这些脚本可以进一步定制，以满足特定的分析需求，如自动提取多个时间点的数据、生成更复杂的动画或进行更深入的数据分析。5高级主题：显式动力学分析的进阶技巧5.1显式动力学分析中的数值稳定性5.1.1原理在Abaqus的显式动力学分析中，数值稳定性是确保模拟结果准确性和可靠性的关键因素。显式分析采用显式时间积分方法，其中时间步长的选择对稳定性至关重要。时间步长必须足够小，以确保波速在材料中传播时，每个时间步内波不会跨越两个以上的单元。这通常被称为CFL条件（Courant-Friedrichs-Lewy条件），它限制了时间步长与网格尺寸和波速之间的关系。5.1.2内容CFL条件：在显式动力学分析中，时间步长ΔtΔ其中，c是单元的波速，Δx是最小网格尺寸，v网格细化：为了满足CFL条件，可能需要细化网格，但这会增加计算成本。因此，需要在精度和效率之间找到平衡。材料模型：某些材料模型（如塑性模型）可能需要更小的时间步长以确保稳定性。5.1.3示例在Abaqus中，可以通过以下方式设置时间步长：#设置时间步长

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(timePeriod=0.001,maxNumInc=10000)假设我们有一个铝材料的模型，其波速为6400m/s，最小网格尺寸为0.001m，根据CFL条件，时间步长应小于：Δ5.2冲击与碰撞分析5.2.1原理冲击与碰撞分析是显式动力学分析中的常见应用，涉及高速接触和大变形。Abaqus通过接触算法和非线性材料模型来模拟这类问题。接触算法确保了不同物体之间的正确相互作用，而材料模型则描述了材料在冲击载荷下的行为。5.2.2内容接触算法：Abaqus提供了多种接触算法，如Surface-to-Surface和Node-to-Surface，用于处理不同类型的接触问题。材料模型：如Johnson-Cook模型，用于描述金属在高速冲击下的塑性行为。载荷和边界条件：冲击载荷通常通过高速运动的边界条件或瞬时载荷来模拟。5.2.3示例定义接触对：#定义接触对

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-1')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=NO_SLIP)

mdb.models['Mo