结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS中非线性分析理论与应用

结构力学仿真软件：ABAQUS：ABAQUS中非线性分析理论与应用1绪论1.1非线性分析的定义与重要性非线性分析是指在结构力学中，当结构的响应不再与作用力成线性关系时，所采用的分析方法。这种非线性可能源于材料的非线性（如塑性、粘弹性）、几何非线性（大变形、大应变）或接触非线性（如摩擦、间隙）。非线性分析对于准确预测结构在极端条件下的行为至关重要，例如在地震、碰撞或高温等情况下，线性假设往往不再适用，非线性分析能够提供更精确的预测结果。1.2ABAQUS软件简介ABAQUS是一款广泛应用于工程领域的高级有限元分析软件，由DassaultSystèmes公司开发。它能够处理复杂的非线性问题，包括材料非线性、几何非线性、接触非线性等。ABAQUS提供了丰富的单元类型、材料模型和求解算法，适用于各种工程分析，如结构力学、热力学、流体动力学等。1.3非线性分析的基本类型1.3.1材料非线性材料非线性分析考虑材料在不同应力状态下的行为变化，如塑性、蠕变、超弹性等。在ABAQUS中，可以通过定义材料属性的应力-应变曲线来实现材料非线性分析。1.3.2几何非线性几何非线性分析考虑结构在大变形或大应变下的行为，此时线性假设下的小变形理论不再适用。ABAQUS通过考虑结构变形对载荷和边界条件的影响，能够准确模拟大变形情况下的结构响应。1.3.3接触非线性接触非线性分析处理两个或多个物体之间的接触问题，包括摩擦、间隙、滑移等。ABAQUS提供了多种接触算法和接触条件设置，能够模拟复杂的接触行为，如自接触、多体接触等。1.4示例：ABAQUS中材料非线性分析1.4.1代码示例#ABAQUS材料非线性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建材料

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

#定义材料属性

myMaterial.Elastic(table=((200000,0.3),))

myMaterial.Plastic(table=((250,0.002),(300,0.005),(350,0.01)))

#创建截面

mySection=mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='SteelSection',material='Steel',thickness=None)

#创建零件

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

myPart.BaseSolidExtrude(sketch=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0),depth=10.0)

#创建实例

myInstance=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Instance(name='Part-1-1',part=myPart,dependent=ON)

#设置截面

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].SectionAssignment(region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['Set-1'],sectionName='SteelSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)1.4.2示例描述在上述代码中，我们首先创建了一个名为Steel的材料，并定义了其弹性模量和泊松比。接着，我们定义了材料的塑性行为，通过提供应力-应变数据点来描述材料的非线性特性。然后，我们创建了一个截面，并将其与材料关联。最后，我们创建了一个零件和实例，并将定义的截面应用于零件的特定区域。1.5示例：ABAQUS中几何非线性分析1.5.1代码示例#ABAQUS几何非线性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建模型

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=100,nlgeom=ON)

#创建载荷

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].faces['Face-1'],cf1=100.0)

#创建边界条件

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].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)1.5.2示例描述在这个例子中，我们创建了一个静态分析步骤Step-1，并启用了几何非线性分析（nlgeom=ON）。我们施加了一个集中力Load-1在零件的一个面上，以及一个位移边界条件BC-1在零件的特定集合上，以固定其位置。通过启用几何非线性，ABAQUS能够考虑结构在载荷作用下的大变形，从而提供更准确的分析结果。1.6示例：ABAQUS中接触非线性分析1.6.1代码示例#ABAQUS接触非线性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#创建接触对

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

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=PENALTY,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Step-1',master=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].surfaces['Surface-1'],slave=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-2-1'].surfaces['Surface-2'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='IntProp-1')

#创建接触对的实例

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Surface(name='Surface-1',side1Edges=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].edges['Edge-1'])

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Surface(name='Surface-2',side1Edges=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-2-1'].edges['Edge-2'])1.6.2示例描述在接触非线性分析中，我们首先定义了一个接触属性IntProp-1，并设置了其切向行为。然后，我们创建了一个接触对Contact-1，指定了主表面和从表面，以及接触滑动的类型。通过这些设置，ABAQUS能够模拟两个零件之间的接触行为，包括摩擦和滑动。我们还创建了接触对的实例，指定了具体的表面，以便在分析中应用接触条件。通过上述示例，我们可以看到ABAQUS在处理非线性分析时的强大功能和灵活性。无论是材料非线性、几何非线性还是接触非线性，ABAQUS都能够提供精确的解决方案，帮助工程师和研究人员深入理解结构在复杂载荷条件下的行为。2非线性分析基础2.1材料非线性理论2.1.1原理材料非线性是指材料的应力与应变关系不再遵循线性比例，即胡克定律不再适用。在ABAQUS中，材料非线性可以通过多种模型来描述，包括塑性、蠕变、超弹性等。塑性模型是最常见的，它描述了材料在超过屈服点后的行为，包括弹性、塑性、硬化或软化阶段。2.1.2内容在ABAQUS中定义材料非线性，通常需要指定材料的弹性模量、泊松比以及塑性行为。塑性行为可以通过提供应力-应变曲线来定义，曲线上的点表示不同应变下的屈服应力。示例假设我们有以下材料的应力-应变数据：应变（Strain）屈服应力（Stress）0.0012000.0052500.01300在ABAQUS中，可以通过以下方式定义这种材料的塑性行为：#定义材料属性

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

frommaterialimport*

fromsectionimport*

session.journalOptions.setValues(resetViewports=False,playBackFailedScripts=False)

#创建材料

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

#定义弹性属性

myMaterial.Elastic(table=((200000,0.3),))

#定义塑性属性

myMaterial.Plastic(table=((200,0.001),(250,0.005),(300,0.01)))2.2几何非线性概念2.2.1原理几何非线性考虑了结构变形对分析结果的影响，当结构的变形较大时，初始几何形状与变形后的形状差异显著，此时需要使用几何非线性分析。ABAQUS通过考虑大位移和大转动来处理几何非线性问题。2.2.2内容在ABAQUS中，几何非线性分析通常在分析步中激活。通过设置analysisType=NONLINEAR，ABAQUS将自动考虑结构变形对分析结果的影响。示例创建一个包含几何非线性分析步的模型：#创建分析步

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

analysisType=NONLINEAR)2.3接触非线性解析2.3.1原理接触非线性分析处理两个或多个物体之间的接触问题，包括摩擦、间隙、滑动等。在ABAQUS中，接触非线性通过定义接触对和接触属性来实现。2.3.2内容接触对定义了哪些表面之间可能发生接触，接触属性则描述了接触面之间的摩擦行为。ABAQUS提供了多种接触属性，如无摩擦接触、摩擦接触等。示例定义接触对和接触属性：#定义接触属性

myContactProperty=mdb.models['Model-1'].ContactProperty('MyContactProp')

myContactProperty.NoFriction()

#定义接触对

myContactPair=mdb.models['Model-1'].ContactPair(name='MyContactPair',

createStepName='Step-1',

master='MasterSurface',

slave='SlaveSurface',

interactionProperty='MyContactProp')2.4时间步长与收敛性控制2.4.1原理在非线性分析中，时间步长的选择和收敛性控制对分析结果的准确性和计算效率至关重要。ABAQUS提供了自动时间步长控制和多种收敛性控制策略。2.4.2内容自动时间步长控制可以根据模型的响应自动调整时间步长，以确保分析的稳定性和准确性。收敛性控制策略包括改变时间步长、修改载荷增量、调整求解器参数等。示例设置自动时间步长控制：#设置分析步的时间步长控制

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=1000,

initialInc=0.1,

minInc=1e-06,

maxInc=1.0,

timePeriod=1.0,

nlgeom=ON)以上示例中，maxNumInc定义了分析步中允许的最大增量数，initialInc是初始时间步长，minInc和maxInc分别是最小和最大时间步长，timePeriod是分析步的总时间，nlgeom=ON激活了几何非线性分析。3ABAQUS非线性分析设置3.1材料属性定义在ABAQUS中进行非线性分析，首先需要定义材料的非线性属性。这包括但不限于弹性模量、泊松比、屈服强度、塑性硬化参数等。对于塑性材料，通常使用ELASTIC和PLASTIC关键字来定义材料属性。3.1.1示例：定义钢材的非线性材料属性#定义材料属性

material=mdb.models['Model-1'].materials['Steel']

material.Elastic(table=((200000,0.3),))

material.Plastic(table=((250,10),(300,20),(350,30)))

#注释：上述代码定义了钢材的弹性模量为200000MPa，泊松比为0.3。

#钢材的塑性行为通过屈服强度和硬化参数来描述，例如，当应力达到250MPa时，

#硬化模量为10MPa，以此类推。3.2几何非线性激活几何非线性分析考虑了结构变形对自身几何形状的影响，这对于大变形或大位移的情况尤为重要。在ABAQUS中，通过在分析步中指定*GEOMETRY=NONLINEAR来激活几何非线性。3.2.1示例：激活几何非线性分析#创建分析步并激活几何非线性

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

step.setValues(geometricNonlinearity=ON)

#注释：上述代码创建了一个名为'Step-1'的静态分析步，并在其中激活了几何非线性。3.3接触属性与界面设置接触分析是ABAQUS非线性分析中的关键部分，它允许模拟两个或多个部件之间的相互作用。接触属性包括接触类型（如滑动或粘结）、摩擦系数等。界面设置则定义了接触表面的配对。3.3.1示例：定义接触属性和界面设置#定义接触属性

contactProperty=mdb.models['Model-1'].ContactProperty('ContactProp-1')

contactProperty.TangentialBehavior(formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,table=((0.3,),),shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,

fraction=0.005,elasticSlipStiffness=None)

#定义接触对

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

createStepName='Step-1',master='Master_Surface',slave='Slave_Surface',

sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp-1')

#注释：上述代码定义了一个接触属性'ContactProp-1'，其中摩擦系数为0.3。

#接触对'ContactPair-1'被定义，其中'Master_Surface'为接触的主表面，

#'Slave_Surface'为接触的从表面，接触类型为滑动。3.4加载与边界条件应用加载和边界条件是驱动结构响应的关键因素。在ABAQUS中，加载可以是力、压力、位移等，边界条件则用于限制结构的自由度。非线性分析中，加载通常需要逐步施加，以确保收敛。3.4.1示例：应用力加载和位移边界条件#应用力加载

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

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].loads['Load-1'].setValuesInStep(stepName='Step-1',

values=(1.0,))

#应用位移边界条件

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

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',region=region,

u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,amplitude=UNSET,

distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#注释：上述代码在'LoadRegion'区域施加了一个名为'Load-1'的力加载，

#在'Step-1'分析步中逐步增加力的大小。

#'BC-1'是一个位移边界条件，应用于'BCRegion'区域，限制了所有方向的位移。以上示例展示了在ABAQUS中进行非线性分析时，如何定义材料属性、激活几何非线性、设置接触属性以及应用加载和边界条件。这些步骤是构建非线性仿真模型的基础，通过调整参数和设置，可以模拟各种复杂的工程问题。4非线性分析案例研究4.1平面梁的弯曲分析4.1.1原理在ABAQUS中进行平面梁的弯曲分析时，我们主要关注梁在非线性载荷作用下的变形和应力分布。非线性分析可能涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性。对于平面梁，几何非线性尤其重要，因为大变形会导致梁的中性轴发生偏移，从而影响应力和应变的计算。4.1.2内容建立模型：首先，定义梁的几何形状、材料属性和边界条件。梁可以是矩形、I形或任何其他截面形状。材料属性包括弹性模量、泊松比和屈服强度等。施加载荷：在梁的一端或两端施加垂直载荷，模拟弯曲情况。载荷可以是集中力或分布力。定义分析步：设置非线性分析步，包括增量加载、收敛准则和时间步长控制。网格划分：选择合适的网格类型和尺寸，确保结果的准确性。对于弯曲分析，通常需要在梁的厚度方向上进行细化。求解和后处理：运行分析，然后使用ABAQUS的后处理工具来查看梁的变形、应力和应变分布。4.1.3示例假设我们有一根矩形截面的钢梁，长1000mm，宽100mm，高200mm。材料属性为弹性模量200GPa，泊松比0.3。在梁的一端施加垂直集中力1000N，另一端固定。#ABAQUSPythonScriptforNonlinearBeamBendingAnalysis

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importsection

importregionToolset

importpart

importmaterial

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

importvisualization

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='BeamBending')

#Createapart

myPart=myModel.Part(name='Beam',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myPart.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0),depth=1000.0)

myPart.Sketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

myPart.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(50.0,0.0))

myPart.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myPart.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myPart.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=1000.0)

#Definematerialproperties

myMaterial=myModel.Material(name='Steel')

myMaterial.Elastic(table=((200e9,0.3),))

#Assignmaterialtosection

mySection=myModel.HomogeneousSolidSection(name='BeamSection',material='Steel',thickness=None)

myPart.SectionAssignment(region=myPart.cells,sectionName='BeamSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='BeamInstance',part=myPart,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='FixedEnd',vertices=myAssembly.instances['BeamInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['FixedEnd'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Defineloads

myAssembly.Set(name='LoadEnd',vertices=myAssembly.instances['BeamInstance'].vertices.findAt(((100.0,0.0,1000.0),)))

myAssembly.ConcentratedForce(name='Load',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['LoadEnd'],cf1=1000.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM)

#Definemesh

myPart.seedPart(size=10.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPart.generateMesh()

#Defineanalysisstep

myStep=myModel.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=1000,nlgeom=ON)

#Submitthejob

mdb.Job(name='BeamBendingJob',model='BeamBending',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF).submit(consistencyChecking=OFF)4.2复合材料层合板的压痕测试4.2.1原理复合材料层合板的压痕测试用于评估材料在局部载荷下的响应，特别是在复合材料中，不同层的材料属性和方向可能对压痕深度和损伤模式产生显著影响。ABAQUS中的接触分析可以模拟压头与层合板之间的相互作用，包括摩擦和滑动。4.2.2内容建立模型：定义层合板的几何形状、材料属性和层的堆叠顺序。压头通常是一个刚性圆柱或球体。施加载荷：在压头的底部施加垂直载荷，模拟压痕过程。定义接触：设置压头与层合板之间的接触，包括接触面、摩擦系数和接触类型。网格划分：选择合适的网格类型和尺寸，特别是在接触区域进行细化，以提高结果的准确性。求解和后处理：运行分析，然后使用ABAQUS的后处理工具来查看层合板的变形、应力和损伤情况。4.2.3示例假设我们有一块由两层不同复合材料组成的层合板，每层厚度为1mm，总尺寸为100mmx100mm。压头是一个直径为10mm的刚性球体，施加垂直载荷100N。#ABAQUSPythonScriptforCompositePlateIndentationTest

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importpart

importmaterial

importsection

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='IndentationTest')

#Createcompositeplate

myPlate=myModel.Part(name='Plate',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myPlate.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0),depth=1.0)

myPlate.Sketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

myPlate.Rectangle(point1=(-50.0,-50.0),point2=(50.0,50.0))

myPlate.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myPlate.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myPlate.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=1.0)

#Definematerials

myMaterial1=myModel.Material(name='Layer1')

myMaterial1.Elastic(table=((100e9,0.3),))

myMaterial2=myModel.Material(name='Layer2')

myMaterial2.Elastic(table=((150e9,0.25),))

#Assignmaterialstosections

mySection1=myModel.HomogeneousSolidSection(name='Layer1Section',material='Layer1',thickness=None)

mySection2=myModel.HomogeneousSolidSection(name='Layer2Section',material='Layer2',thickness=None)

myPlate.SectionAssignment(region=myPlate.cells.findAt(((0.0,0.0,0.5),)),sectionName='Layer1Section',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

myPlate.SectionAssignment(region=myPlate.cells.findAt(((0.0,0.0,1.5),)),sectionName='Layer2Section',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createindenter

myIndenter=myModel.Part(name='Indenter',dimensionality=THREE_D,type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

myIndenter.AnalyticRigidSurfRevolve(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0))

myIndenter.Sketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

myIndenter.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(5.0,0.0))

myIndenter.Revolve(sketchPlane=myIndenter.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).plane,sketchUpEdge=myIndenter.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneSide=SIDE1,sketchOrientation=RIGHT,angle=360.0)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='PlateInstance',part=myPlate,dependent=ON)

myAssembly.Instance(name='IndenterInstance',part=myIndenter,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='PlateBottom',faces=myAssembly.instances['PlateInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['PlateBottom'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Definecontact

myAssembly.Surface(name='IndenterSurface',side1Edges=myAssembly.instances['IndenterInstance'].edges)

myAssembly.Surface(name='PlateSurface',side1Faces=myAssembly.instances['PlateInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,1.0),)))

myModel.ContactProperty('ContactProp')

myModel.Attraction(table=((0.0,),))

myModel.Sliding(table=((0.0,),))

myModel.Friction(table=((0.1,),))

myModel.Interaction(name='IndentationContact',interactionType=CONTACT,createStepName='Step-1')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='IndentationContact',createStepName='Step-1',master=myAssembly.surfaces['IndenterSurface'],slave=myAssembly.surfaces['PlateSurface'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp')

#Defineloads

myAssembly.Set(name='IndenterTop',vertices=myAssembly.instances['IndenterInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,5.0),)))

myAssembly.ConcentratedForce(name='Load',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['IndenterTop'],cf3=100.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM)

#Definemesh

myPlate.seedPart(size=1.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPlate.generateMesh()

#Defineanalysisstep

myStep=myModel.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=1000,nlgeom=ON)

#Submitthejob

mdb.Job(name='IndentationTestJob',model='IndentationTest',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF).submit(consistencyChecking=OFF)4.3金属成型过程的模拟4.3.1原理金属成型过程的模拟通常涉及大变形和材料流动，这需要使用非线性分析。ABAQUS可以模拟各种成型过程，如冲压、锻造和挤压，通过考虑材料的塑性行为、温度效应和接触条件。4.3.2内容建立模型：定义金属坯料的几何形状、材料属性和模具的形状。施加载荷：在模具上施加压力或在坯料上施加速度，模拟成型过程。定义接触：设置模具与坯料之间的接触，包括接触面、摩擦系数和接触类型。网格划分：选择合适的网格类型和尺寸，特别是在接触区域和坯料的变形区域进行细化。求解和后处理：运行分析，然后使用ABAQUS的后处理工具来查看成型后的形状、应力和应变分布。4.3.3示例假设我们模拟一个圆柱形金属坯料在模具中被冲压成一个扁平盘的过程。坯料直径为50mm，高度为10mm。模具是一个直径为60mm的刚性圆柱。冲压速度为1mm/s。#ABAQUSPythonScriptforMetalFormingSimulation

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importpart

importmaterial

importsection

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='MetalForming')

#Createbillet

myBillet=myModel.Part(name='Billet',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myBillet.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=50.0),depth=10.0)

myBillet.Sketch(name='__profile__',sheetSize=50.0)

myBillet.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(25.0,0.0))

myBillet.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myBillet.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myBillet.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=10.0)

#Definematerialproperties

myMaterial=myModel.Material(name='Metal')

myMaterial.Elastic(table=((200e9,0.3),))

myMaterial.Plastic(table=((200e6,0.0),))

#Assignmaterialtosection

mySection=myModel.HomogeneousSolidSection(name='BilletSection',material='Metal',thickness=None)

myBillet.SectionAssignment(region=myBillet.cells,sectionName='BilletSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createdie

myDie=myModel.Part(name='Die',dimensionality=THREE_D,type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

myDie.AnalyticRigidSurfRevolve(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=60.0))

myDie.Sketch(name='__profile__',sheetSize=60.0)

myDie.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(30.0,0.0))

myDie.Revolve(sketchPlane=myDie.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).plane,sketchUpEdge=myDie.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneSide=SIDE1,sketchOrientation=RIGHT,angle=360.0)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='BilletInstance',part=myBillet,dependent=ON)

myAssembly.Instance(name='DieInstance',part=myDie,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='BilletBottom',faces=myAssembly.instances['BilletInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['BilletBottom'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Definecontact

myAssembly.Surface(name='DieSurface',side1Edges=myAssembly.instances['DieInstance'].edges)

myAssembly.Surface(name='BilletSurface',side1Faces=myAssembly.instances['BilletInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,5.0),)))

myModel.ContactProperty('ContactProp')

myModel.Attraction(table=((0.0,),))

myModel.Sliding(table=((0.0,),))

myModel.Friction(table=((0.1,),))

myModel.Interaction(name='FormingContact',interactionType=CONTACT,createStepName='Step-1')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='FormingContact',createStepName='Step-1',master=myAssembly.surfaces['DieSurface'],slave=myAssembly.surfaces['BilletSurface'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp')

#Defineloads

myAssembly.Set(name='DieTop',vertices=myAssembly.instances['DieInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,30.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='DieMotion',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['DieTop'],u1=0.0,u2=0.0,u3=-1.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=

#高级非线性分析技术

##显式动力学分析

###原理

显式动力学分析是ABAQUS中处理高速、短时动力学问题的一种方法。它基于显式时间积分方案，能够快速求解大变形、接触、冲击等非线性动力学问题。显式动力学分析中，时间步长由最短波长和材料特性决定，通常非常小，这使得计算能够捕捉到高速事件的细节。

###内容

在ABAQUS中进行显式动力学分析，需要定义材料属性、几何模型、边界条件、载荷以及时间步长控制。ABAQUS使用Lagrangian和Eulerian方法来处理材料的变形，同时支持多种接触算法，以准确模拟不同物体间的相互作用。

###示例

```python

#ABAQUS显式动力学分析示例

#创建一个简单的冲击问题模型

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

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

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

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

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#定义材料属性

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

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Density(table=((7.85e-09,),))

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200000.0,0.3),))

#创建实例

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

a.Instance(name='Part-1-1',part=p,dependent=ON)

#定义边界条件和载荷

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

region=a.instances['Part-1-1'].faces

faces=region.findAt(((50.0,0.0,5.0),))

region=a.Set(faces=faces,name='Set-1')

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

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=10000)

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',

region=region,u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,

amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',

localCsys=None)

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',

region=region,cf1=10000.0,cf2=0.0,cf3=0.0,distributionType=UNIFORM,

field='',localCsys=None)

#设置显式动力学分析

mdb.models['Model-1'].ExplicitDynamicsStep(name='Step-2',previous='Step-1',

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-2'].setValues(maxNumInc=10000)

#提交分析

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.regenerate()

mdb.models['Model-1'].solve()此示例创建了一个简单的三维实体模型，定义了材料属性、边界条件和载荷，然后设置了显式动力学分析步骤。通过调整时间步长和载荷，可以模拟不同类型的冲击事件。4.4非线性优化设计4.4.1原理非线性优化设计是在ABAQUS中通过调整设计变量，以最小化或最大化目标函数，同时满足一系列约束条件的过程。它适用于解决结构设计中的复杂问题，如重量最小化、成本优化或性能提升。ABAQUS的优化模块支持多种优化算法，包括梯度法和非梯度法。4.4.2内容在ABAQUS中进行非线性优化设计，需要定义设计变量、目标函数、约束条件以及优化算法。设计变量可以是几何尺寸、材料属性或载荷等。目标函数通常是设计的性能指标，如结构的重量或位移。约束条件可以是应力、应变或位移限制。4.4.3示例#ABAQUS非线性优化设计示例

#优化一个简单的梁的截面尺寸以最小化重量

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

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

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

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

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#定义材料属性

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

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Density(table=((7.85e-09,),))

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200000.0,0.3),))

#创建实例

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

a.Instance(name='Part-1-1',part=p,dependent=ON)

#定义设计变量

mdb.models['Model-1'].DesignVariable(name='Width',description='',

lowerBound=5.0,upperBound=20.0,value=10.0,

discrete=OFF,discreteValues=(),discreteIntervals=(),

categories=('Width',))

mdb.models['Model-1'].DesignVariable(name='Height',description='',

lowerBound=5.0,upperBound=20.0,value=10.0,

discrete=OFF,discreteValues=(),discreteIntervals=(),

categories=('Height',))

#定义目标函数

mdb.models['Model-1'].Objective(name='MinimizeWeight',description='',

expression='Part-1-1.mass',category='Mass')

#定义约束条件

mdb.models['Model-1'].Constraint(name='MaxStress',description='',

expression='Part-1-1.stress',category='Stress',

lowerBound=0.0,upperBound=100.0)

#设置优化算法

mdb.models['Model-1'].OptimizationTask(name='Task-1',description='',

objective='MinimizeWeight',constraints=('MaxStress',),

designVariables=('Width','Height'),algorithm=SEQUENTIAL_QUADRATIC_PROGRAMMING)

#提交优化任务

mdb.models['Model-1'].OptimizationTask('Task-1').solve()此示例定义了两个设计变量（宽度和高度），一个目标函数（最小化重量），以及一个约束条件（最大应力）。通过优化算法，ABAQUS将自动调整设计变量，以满足约束条件并优化目标函数。4.5多物理场耦合分析4.5.1原理多物理场耦合分析是ABAQUS中处理涉及多种物理现象相互作用的问题的方法。例如，结构的热-结构耦合分析，其中结构的温度变化会影响其力学性能，反之亦然。ABAQUS支持多种耦合分析类型，包括热-结构、电-磁-结构和流体-结构等。4.5.2内容在ABAQUS中进行多物理场耦合分析，需要定义每个物理场的属性、边界条件和载荷，以及它们之间的耦合关系。ABAQUS使用迭代方法求解耦合问题，直到所有物理场的解收敛。4.5.3示例#ABAQUS多物理场耦合分析示例

#热-结构耦合分析，模拟一个受热的梁的变形

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#创建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

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

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

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

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#