ABAQUS教材学习入门手册

TPMKstandardizationoffice【TPMK5AB-TPMK08-TPMK2C-TPMK18】ABAQUS教材学习入门手册ABAQUS教材：入门使用手册一、前言ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件之一，具有惊人的广泛的模拟能力。它拥有大量不同种类的单元模型、 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 模型、分析过程等。可以进行结构的静态与动态分析，如：应力、变形、振动、冲击、热传递与对流、质量扩散、声波、力电耦合分析等；它具有丰富的单元模型，如杆、梁、钢架、板壳、实体、无限体元等；可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、聚合物、复合材料、塑料、钢筋混凝土、弹性泡沫，岩石与土壤等。对于多部件问题，可以通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将它们组合成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性问题，用户仅需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件、荷载工况等 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛准则，它不仅能自动选择这些参数的值，而且在分析过程中也能不断调整这些参数值，以确保获得精确的解答。用户几乎不必去定义任何参数就能控制问题的数值求解过程。1.1ABAQUS产品ABAQUS由两个主要的分析模块组成，ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。前者是一个通用分析模块，它能够求解广泛领域的线性和非线性问题，包括静力、动力、构件的热和电响应的问题。后者是一个具有专门用途的分析模块，采用显式动力学有限元格式，它适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题，此外，它对处理改变接触条件的高度非线性问题也非常有效，例如模拟成型问题。ABAQUS/CAE(CompleteABAQUSEnvironment)它是ABAQUS的交互式图形环境。通过生成或输入将要分析结构的几何形状，并将其分解为便于网格划分的若干区域，应用它可以方便而快捷地构造模型，然后对生成的几何体赋予物理和材料特性、荷载以及边界条件。ABAQUS/CAE具有对几何体划分网格的强大功能，并可检验所形成的分析模型。模型生成后，ABAQUS/CAE可以提交、监视和控制分析作业。而Visualization（可视化）模块可以用来显示得到的结果。1.2有限元法回顾任何有限元模拟的第一步都是用一个有限元（FiniteElement）的集合来离散（Discretize）结构的实际几何形状，每一个单元代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 这个实际结构的一个离散部分。这些单元通过共同节点（Node）来连接。节点与单元的集合称为网格（Mesh）。在一个特定网格中的单元数目称为网格密度（MeshDensity）。在应力分析中，每个节点的位移是ABAQUS计算的基本变量。一旦节点位移已知，每个单元的应力与应变就可以很容易求出。使用隐式方法求解位移如下图所示，桁架及其离散化模型。图1-5所示为模型中每个节点的分离图。根据内力、材料性能和位移的关系，列出每个节点的平衡方程，这些平衡方程需要同时进行求解以获得每个节点的位移。求解采用矩阵形式。一旦位移求出后，就能利用位移返回计算出桁架单元的应力。显示方法与隐式方法不同，例如应用在ABAQUS/Explicit中的显示方法，并不需要求解一套方程组或计算整体刚度矩阵。求解式通过动态方法从一个增量步前推到下一个增量步得到的。二、ABAQUS基础一个完整的ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、模拟计算和后处理。前处理阶段需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件，使用ABAQUS/CAE或其他软件完成；模拟计算阶段使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式运行；完成模拟计算得到基本变量后，就可以对计算结果进行评估，通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他后处理软件在图形环境下交互式进行。2.1ABAQUS分析模块的组成一个分析模型至少包括以下信息：离散化的几何形体、单元截面特性（elementsectionproperties）、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。下面分别做以介绍。2.1.1离散化的几何形体单元和节点定义了模型的基本几何形状。单元代表物理结构的离散部分，许多单元依次相连组成了结构，单元间通过公共节点彼此相互联结，模型的几何形状由节点坐标和节点所属单元的联结所确定。模型中所有单元和节点的集合称为网格（mesh）。通常，网格只是实际结构几何形状的近似表达。网格中单元类型、形状、位置和所有单元的总数都会影响模拟计算的结果。一般说来，网格密度越高（网格中单元数量越多），计算结果越精确，但用于分析计算的时间也会增加。通常，数值计算是所模拟物理问题的近似解，近似程度取决于模型的几何形状、材料特性、边界条件和载荷对物理问题描述的准确程度。2.1.2单元特性后面几章会详细讲述。2.1.3材料数据必须指定所有单元的材料特性。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。2.1.4载荷和边界条件最常见的载荷形式包括：点载荷；表面压力载荷；体力，如重力；热载荷等。应用边界条件可以使模型的某一部分受到约束而保持固定（零位移）或使其移动指定大小的位移值（非零位移）。没有约束的刚体位移会导致刚度矩阵产生奇异（singularity）（刚度矩阵的行列式为零）。在求解中，求解器发生问题，此时，ABAQUS/Standard将发出警告信息。应学会解读这些错误信息。如果在静态应力分析时遇到警告信息“numericalsingularity”（数值奇异）或“zeropivot”（主元素为零），用户必须检查是否整个或者部分模型缺少限制刚体平动或转动的约束。在动态分析中，由于结构模型中的所有分离部分都具有一定的质量，其惯性力可防止模型产生无限大的瞬时运动，因此，在动力分析中，求解器的警告信息通常提示了某些其他的模拟问题，如过度塑性。2.1.5分析类型这里主要讲两种最常见的类型：静态（static）和动态（dynamic）应力分析。静态分析获得的是外载荷作用下结构的长期相应。其他情况下，可能用户关心的是结构的动态响应。例如冲击对部件的影响，或在地震时建筑物的响应。2.1.6输出要求为了避免过多信息占用磁盘空间，用户可根据需要对输出数据进行限制。通常用ABAQUS/CAE等前处理工具来定义模型中必要的输出信息。2.2ABAQUS/CAE简介2.2.1启动ABAQUS/CAEABAQUS/CAE启动后，会出现StartSession对话框，选项含义：CreateModelDatabase，开始一个新的分析；OpenDatabase，打开一个以前存储过的模型或输出数据库文件；RunScript，运行一个包含ABAQUS/CAE命令的文件；StartTutorial，从在线文档中启动辅导教程。2.2.2主窗口的组成部分标题栏（Titlebar）菜单栏（Menubar）工具栏（Toolbar）环境栏（Contextbar）工具箱区（Toolboxbar）：显示某一功能模块相应的工具，竖放的那个。画布和作图区（Canvasanddrawingarea）视区（Viewport）提示区（Promptarea）：提示下一步的工作。信息区（Messagearea），或命令行接口（Commandlineinterface），通过下面两个按钮就行二者间的切换。2.2.3什么是功能模块每一个模块（module）只包含与模拟作业的某一指定部分相关的一些工具，如Mesh模块，Job模块等。如下图所示。用户可以从上图环境栏的Module（模块）列表中选择各个模块。列表中模块次序与创建一个分析模型应遵循的逻辑次序是一致的。大多数情况下，用户必须遵循这个次序来完成模拟作业。例如，用户在生成Assembly（装配件）前必须先生成Part（部件）。ABAQUS/CAE也允许用户在任何时刻选择任一个模块进行工作，而无需顾及模型的当前状态。下面对各个模块进行的模拟任务做一简单介绍。⑴Part（部件）：用于创建各个独立的部件。⑵Property（特性）用户可以定义截面和材料，并将它们赋予（assign）部件的某一部分。⑶Assembly（装配）创建部件的实例，并将这些实例相对于其他部件定位在总体坐标系中，这样就构成了装配件。⑷Step（分析步）生成和构成分析步骤，并与输出需求联系起来。分析步序列为实现模拟过程的变化（如载荷和边界条件的变化）提供了方便途径。根据需要，在分析步之间可以改变输出变量。⑸Interaction（相互作用）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，一个例子就是两个表面之间的接触。其他可以定义的相互作用包括约束，例如绑定（tie），方程（equation）和刚体（rigidbody）约束。除非在相互作用模块中指定接触，否则ABAQUS/CAE不会自动识别部件实体之间或一个装配件的各区域之间的力学接触关系。在一个装配件中，仅指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实不够的。相互作用与分析步相关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。⑹Load（载荷）指定载荷、边界条件和场变量。载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户必须指定载荷和边界条件在哪些分析步中起作用。某些场变量与分析步有关，而其他的场变量仅仅作用于分析的开始阶段。⑺Mesh（网格）进行网格划分。包含为装配件创建有限元网格剖分的工具。利用所提供的各个层次上的自动剖分和控制工具，用户可以生成满足自己要求的网格。⑻Job（作业）生成（create）一个作业并提交进行分析计算。一旦完成了所有定义模型的任务，用户便可以用Job模块分析计算模型。作业模块允许用户交互地提交分析作业并监控其过程。多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。⑼Visualization（可视化）观察分析结果。提供了有限元模型和分析结果的图形显示。通过Step模块可以修改输出需求，用户可以控制写入输出数据库中的信息。⑽Sketch（草图）它是二维轮廓图形，用来帮助形成几何形状，定义ABAQUS/CAE可识别的部件。应用该模块创建草图，定义平面部件、梁、剖面，或者创建一个草图，然后通过拉伸、扫掠或者旋转等方式将其形成三维部件。在Module列表中选择一个模块，将使菜单栏、工具栏和环境栏发生变化，以反映当前模块的功能。2.3有关例题的学习思考一般地，计算一个模型地过程如下：2.3.1单位系统在开始定义一个模型之前，需要确定所采用的单位系统。ABAQUS没有固定地单位系统，所有地输入数据必须指定一致性的单位系统。该手册均采用SI单位系统（国际单位制，米制体系）。如果用户工作在标记“USUnit”的单位系统，必须小心其密度的单位，在材料性质的手册中给出的密度往往是与重力加速度相乘后的值。某些常用的一致性单位系统列于下表。2.3.2创建部件应用Part（部件）模块创建分析模型的每个部件。部件定义了模型各部分的几何形体，因此，它们是创建ABAQUS/CAE模型的基本构件。当部件创建后，仍可对其进行编辑和重新命名，但是其模拟空间（modelingspace）、类型（type）、或者基本类型（basefeature）不能改变。键入对话框底部在Approximatesize域内的这个参考值，设定了新部件的大致尺寸，ABAQUS/CAE采用这个尺寸计算绘图区域和区域中栅格的尺寸。选取这个参数的原则必须是与最终模型的最大尺寸同一量级。对于一些特殊点的确定，可采用构造几何（constructiongeometry）来确定其位置。利用Createconstrution：Line…，创建构造线，通过交点找位置。某些工具栏图标底部有个小黑色三角形，这些小三角形表示该图标有若干各隐藏的可以切换的工具选项，单击这些图标并按住鼠标键不放，就可以显示其他图标。草图画出之后，记得从提示区（靠近主窗口的底部）单击Done，以生成模型，在下一步进行之前，在模型数据库中存储你的模型。2.3.3创建材料用户应用Property模块创建材料和定义材料的参数。Material→Create，创建新的材料，显示EditMaterial（编辑材料）对话框进行编辑。2.3.4定义和赋予截面特性用户定义一个模型的截面特性，需要在Property模块中创建一个截面。在截面创建后，用户可以应用下面两种方法中的一种将该截面特性赋予到当前视区中的部件：⑴直接选择部件中的区域，并将截面特性赋予该区域。⑵利用Set（集合）工具创建一个同类（homogeneous）集，它包含该区域并将截面特性赋予该集合。截面面积可以在命令行接口（CLI）中进行简单计算。键入：3.1416*0.005**2/4，然后按【ENTER】，横截面面积的值会显示在CLI中。主菜单栏中选择Section→Create，在CreateSection对话框中选择截面类型；再在EditSection对话框中进行有关设置。为将截面特性赋予模型，在主菜单中选择Assign→Section,按提示区的指导完成后续操作，选择需要赋予模型的部分，点击Done，选择已定义的截面。2.3.5定义装配每一个部件都创建在自己的坐标系中，在模型中彼此独立。通过创建各个部件的实体（instance）并在整体坐标系中将它们相互定位，用户应用Assembly（装配）模块定义装配的几何形状。尽管一个模型可能包含多个部件，但只能包含一个装配件。在工具栏Module列表中单击Assembly，选取Instance→Create，显示CreateInstance对话框，进行相关操作。2.3.6设置分析过程⑴分析步的创建与设置创建了装配件之后，可以进入到Step（分析步）模块来设置分析过程。CAE会自动生成起始步，但是用户必须应用Step模块自己创建分析步。在Step模块中，也允许用户指定在分析过程中任何步骤输出数据。在ABAQUS中有两类分析步：一般分析步（generalanalysissteps），可以用来分析线性或非线性响应；线性摄动步（linearperturbationsteps），只能用来分析线性问题。进入Step模块后，选择Step→Create创建分析步，在创建分析步对话框中进行设置，选择分析过程：线性扰动或一般分析步，就创建了分析步。⑵设定输出数据有限元分析可以创建大量的输出数据，ABAQUS允许用户控制和管理这些输出数据，从而只产生需要用来说明模拟结果的数据。一个ABAQUS/CAE分析中可以输出四种类型的数据：①结果输出保存到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.obd。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。默认情况下，ABAQUS/CAE将分析结果写入输出数据库（.obd）文件中。每创建一个分析步，ABAQUS/CAE就默认生成一个该步骤的输出要求。用户可以使用FieldoutputRequestsManager（场变量输出管理器）来设置可能的输出变量，这些变量来自整个模型或模型的大部分区域，它们以相对较低的频率写入到输出数据库中；用户可以使用HistoryOutputRequestsManager（历史变量输出管理器）来设置可能需要的输出数据，它们以较高的频率将来自一小部分模型的数据写入到输出数据库中。在主菜单中选择Output→FieldOutputRequests→Manager，对输出变量进行管理，或者在左侧工具栏中进行操作。注意：Dismiss与Cancel的区别。前者按钮出现在包含只读数据的对话框中，允许你阅读输出设置，但是你要修改输出变量的设置必须应用里面的编辑器，单击Dismiss按钮直接关闭对话框；而后者出现在允许做出修改的对话框中，单击Cancel按钮可关闭对话框，但是不保存所修改的内容。从菜单或工具栏，可以打开HistoryOutputRequestsManager，用类似的方法就行操作。2.3.7在模型上施加边界条件和载荷在结构分析中，边界条件施加在模型中的已知位移或转动区域，模拟时可以将这些区域进行约束从而使其保持固定（零位移/转动），或者指定非零位移/转动。一个完整的结构应有六个自由度，可产生运动的方向称为自由度（degreesoffreedom，DOF）。⑴施加边界条件选择Module列表中Load进入载荷模块，有几个约束就要创建几个边界条件。BC→Create，显示创建边界条件对话框，按提示进行操作，通过BCManager进行管理。⑵施加载荷术语载荷通常包括：集中力，力偶，压力，非零边界条件，体力，温度等。需要创建载荷，有几个载荷就要创建几个载荷。与边界条件使用基本一样，通过LoadManager窗口进行Load的编辑与修改。2.3.8模型的网格划分应用Mesh（网格）模块可以生成有限元网格。用户可以选择ABAQUS/CAE使用的创建网格、单元形状和单元类型的网格生成技术。尽管系统具有一系列的各种网格生成技术，但是，一维的网格生成技术不能改变。△△△△△⑴设置ABAQUS单元类型△△△△△选择Mesh模块，选择Mesh→Element，弹出Elementtype对话框，选择区域，进行设置，必须设置正确的单元类型才能计算。⑵生成网格基本的网格划分是两步操作：首先在部件上的边界上“撒种子”，然后对部件实体划分网格。从主菜单中选择Seed→Instance，在部件上撒种子，进行相关设置；在主菜单中选择Mesh→Instance，对部件进行网格划分。注意：通过在主菜单栏中选择View→AssemblyDisplayOptions，用户可以在Mesh模块中显示节点和单元编号。切换至Mesh选项页，选中Shownodelabels（显示节点标记）与Showelementlabels（显示单元标记）。2.3.9创建分析作业现在已经设置好了分析模型，下一步就是进入Job作业模块中创建一个与该模型相关的作业。进入Job模块，选择Job→Manager，显示作业管理器，选择创建作业对话框，进行相关设置后完成。2.3.10检查模型生成模型后，就可以准备运行分析了，遗憾的是，在这个模型中可能由于数据不正确或者疏漏而存在错误，因此在运行模型之前必须进行数据检查分析。确认JobType（作业类型）设置为DataCheck(数据检查)。从JOBManager（作业管理器）窗口右边的按钮中，点击Submit（提交），来提交作业进行分析。状态栏的显示信息如下：None当分析输入文件正在被生成时；Submitted当作业正在被提交分析时；Running当ABAQUS运算分析模型时；Completed当分析运算完成时，并将输出写入到输出数据库；Aborted如果ABAQUS/CAE发现输入文件或者分析存在问题并且终止分析时。此外，ABAQUS/CAE在信息区报告发生的问题。监控作业状态：从JobManager（作业管理器）右侧的按钮，单击Moniter（监控器）打开作业监控对话框（该对话框只有在作业Submitted提交后才有效）对话框的上半区显示了在ABAQUS分析中所创建的状态文件（.sta）中的信息。对话框的下半区显示了下列信息：单击Log（操作记录）页，显示在操作记录（.log）中出现的分析开始和终止时刻。单击Errors（错误）和Warning（警告）页，显示数据（.dat）和信息（.msg）文件中出现的前十个出错信息或者前十个警告信息。单击Output（输出页），显示写入输出数据库中每条输出数据的记录。2.3.11运行分析当数据检查分析完成和没有出错的信息后，则运行分析计算。在作业管理器中单击Submit以提交作业进行分析。为了确保模型定义的正确性，并检查是否具有足够的磁盘空间和可用内存来完成分析运算，在运行一个模型之前，用户必须进行数据检查分析（datacheck）。然而，通过将JobType设置为Fullanalysis（整体分析），能够将数据检查和模拟的分析阶段组合起来。2.3.12用ABAQUS/CAE进行后处理ABAQUS在模拟过程中产生大量数据，可以用不同的图形方法显示：变形图、等值线图、矢量图、动画和X-Y曲线图；也可以创建一个输出数据报告。⑴图形化显示设置：用户从主菜单中选择Viewport→ViewportAnnotationOptions，设置标题块、状态块和三位观察方向。显示模型形状及数据，从主菜单Plot选项中进行查看；显示动画效果，可从animate选项中进行查看。Options选项，可对许多显示进行控制，如节点、单元编号，动画，颜色，收缩放大等进行设置，注意这个选项。在主菜单中选择View→ODBDisplayOptions，在这个对话框中，单击EntityDisplay页，可以设置边界条件的显示。⑵数据列表报告的设置：主要在主菜单Report→FieldOutput中进行相关设置。在OutputVariable选项中选定应输出的变量；在Setup选项中设置变量输出的类型与形式。2.3.13应用ABAQUS/Explicit重新运行分析为了比较，我们应用ABAQUS/Explicit分析结构施加载荷后的动态响应。在运行之前，将已经存在的模型复制成新的模型，命名为Explicit。然后对这个Explicit模型进行所有相应的修改。在重新提交作业之前，需要将静态（static）分析步修改为显示动态（explicitdynamic）分析步，并修改输出要求和材料定义以及单元库。⑴替换分析步进入Step模块，从主菜单中选择Step→Replace→Applyload.在ReplaceStep对话框中，从General（一般）步骤列表中选择Dynamic、Explicit.在EditStep(编辑分析步)对话框的Basic（基础）选项中，键入分析步描述，并设置分析步的时间期限。⑵修改输出要求由于是动态分析，所以将中心点的位移作为历史变量输出将有助于分析问题。对于位移历史变量输出的要求只能设置在预先选定的集合中，因此，需要创建包括桁架底部中心顶点的一个集合，然后将位移加入到历史变量输出要求中。创建一个集合：将当前分析步改变为Applyload，从主菜单中选择Tools→Set→Create，弹出对话框中改变集合名。在视区中选择桁架底部中心，完成后在提示区中单击Done。在主菜单中选择Output→HistoryOutputRequests→Manager；在对话框中单击Edit，显示历史变量输出编辑器，进行输出相关修改。⑶修改材料定义由于是动态分析，需要指定材料的密度。进入Property模块，Materal→Edit→Steel,在General→Density，输入密度值。△△△△△⑷修改单元库，并提交分析任务△△△△△能够用于ABAQUS/Explicit的单元是那些用于ABAQUS/Standard单元的一个子集，因此，为了保证分析中应用了有效的单元类型，必须将选择单元的单元库改变为显示单元库。根据所选择的单元库，ABAQUS/CAE会自动地过滤单元类型。改变单元库之后，将创建和运行关于ABAQUS/Explicit分析的一个新的作业。进入Mesh，模块，从主菜单中选择Mesh→ElementType，在视区中选择桁架，并将ElementLibrary（单元库）改变为Explicit。进入JOB模块进行运行，选择JOB→MANAGER，并创建一个新作业，设置作业类型，并提交作业。三、有限单元和刚性体有限单元和刚性体是ABAQUS模型的基本构件。有限单元是可变形的，而刚性体在空间运动不改变形状。任何物体或物体的局部均可以定义作为刚性体；大多数单元类型都可以用于刚性体的定义（也有例外）。刚性体比变形体的优越性在于对刚性体运动的描述所需自由度较少（每个参考点最多有6个自由度），将模型的一部分作为刚性体可以极大地节约时间，提高计算效率。3.1有限单元在ABAQUS/Explicit中的单元是在ABAQUS/Standard中的单元的一个子集。影响一个单元特性的因素有5个方面。3.1.1单元的表征每个单元表征如下：①单元族②自由度（DOF，与单元族直接相关）③节点数目④数学描述⑤积分ABAQUS中每个单元都有唯一的名字，例如T2D2，S4R，C38I等。单元的名字标识了一个单元的5个方面的每个特征。⑴单元族下图给出了应力分析中常用的单元族。不同单元族之间的一个主要区别是每个单元族所假定的几何类型不同。单元名字中的第一个字母或者字母串表示该单元属于哪个单元族。例如，S4R中的S表示它是壳（shell）单元，而C3D8I中的C表示它是实体（continuum）。⑵自由度自由度是在分析中计算的基本变量。对于应力/位移模拟，自由度是在每个节点处的平移。某些单元族，诸如梁和壳单元族，还包括转动的自由度。对于热传导模拟，自由度是在每个节点处的温度，因此，热传导分析要求使用与应力分析不同的单元，因为它们的自由度不同。在ABAQUS中使用的关于自由度的顺序约定如下：11方向的平移；22方向的平移；33方向的平移；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对于实体单元的温度（或质量扩散分析中的归一化浓度），或者在梁和壳的厚度上第一点的温度；12+在梁和壳厚度上其他点的温度（继续增加自由度）。除非在节点处已经定义了局部坐标系，否则方向1，2，和3分别对应与整体坐标系的1，2，和3方向。轴对称单元是个例外，其位移和旋转的自由度规定如下：1r方向的平移；2z方向的平移；6r-z平面内的转动除非在节点处已经定义了局部坐标系，否则方向r（径向）和z（轴向）分别对应于整体坐标的1和2方向。⑶节点数目——插值的阶数ABAQUS仅在单元的节点处计算前面提到的位移、转动、温度和其他自由度，在单元内的任何其他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。①仅在角点处布置节点的单元，在每个方向上采用线性插值，常称为线性单元或一阶单元。②在每条边上有中间节点的单元，采用二次插值，常称为二次单元或二阶单元。③在每条边上有中间节点的修正三角形或四面体单元，采用修正的二阶插值，常常称为修正的单元或修正的二次单元或二阶单元。如下图所示：ABAQUS/Standard提供了对于线性和二次单元的广泛选择，ABAQUS/Eplicit仅提供线性单元，及二次梁单元和修正的四面体、三角形单元。一般情况下，一个单元的节点数目标识在其名字中。如8节点实体单元称为C3D8；8节点一般壳单元称为S8R。梁单元采用了稍有不同的约定：在单元名字中标识了插值的阶数。这样，一阶三维梁单元称为B31，而二阶三维梁单元称为B32，对于轴对称壳单元和膜单元采用了类似的约定。⑷数学描述（Formulation）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（adaptivemeshing）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（Lagrangian）或材料（material）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中流出和越过单元的边界。与此相反，欧拉（Eulerian）或空间（spatial）描述则是单元在空间固定，材料在它们之间流动。欧拉方法通常用于流体力学模拟。ABAQUS/Standard应用欧拉单元模拟对流换热，这里不讨论欧拉单元和自适应网格技术。为了适用于不同类型的行为，在ABAQUS中的某些单元族包含了几种采用不同数学描述的单元。例如，壳单元族具有三种类型：一种适用于一般性目的的壳体分析，另一种适用于薄壳，余下的一种适用于厚壳。ABAQUS/Standard的某些单元族除了具有 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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。例如杂交单元由其名字末尾的“H”字母来标识。⑸积分ABAQUS应用数值方法对各种变量在整个单元内进行积分，对大多数单元，ABAQUS运用高斯积分方法来计算每一单元内每个积分点处的材料响应。对于ABAQUS中的一些实体单元，可以选择应用完全积分或者减缩积分，对于一个给定的问题，这种选择对于单元的精度有着明显影响。ABAQUS在单元名字末尾采用字母“R”来标识减缩积分（如果一个减缩积分单元同时又是杂交单元，末尾字母为RH）。ABAQUS/Standard提供了完全积分和减缩积分单元；除了修正的四面体和三角形单元外，ABAQUS/Explicit只提供了减缩积分单元。3.1.2实体单元在不同的单元族中，连续体或者实体单元能够用来模拟范围最广泛的构件。顾名思义，实体单元简单地模拟部件中地一小块材料，能够用来构建具有几乎任何形状、承受几乎任意载荷的模型。ABAQUS具有应力/位移和热-力耦合的实体单元，这里仅讨论应力/位移单元。在ABAQUS中，应力/位移实体单元的名字以字母C开头；随后的两个字母表示维数，并且通常表示（并不总是）单元的有效自由度；字母3D表示三维单元；AX表示轴对称单元；PE表示平面应变单元；而PS表示平面应力单元。⑴三维实体单元库三维实体单元可以是六面体形（砖形）、碶形或四面体单元。在ABAQUS中，应尽可能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，为了得到精确的解答需要非常细划的网格。⑵二维实体单元库ABAQUS具有几种离面行为互不相同的二维实体单元。二维单元可以是四边形或三角形，应用最广泛的3种二维单元如下图所示：①平面应变（plainstrain）单元，假设离面应变为零，可以用来模拟厚结构。②平面应力（plainstress）单元，假设离面应力为零，适合用来模拟薄结构。③无扭曲的轴对称单元——CAX类单元——可模拟360度的环，适合于分析具有轴对称几何形状和承受轴对称载荷的结构。ABAQUS/Standard也提供了广义平面应变单元、可以扭曲的轴对称单元和具有反对称变形的轴对称单元。①广义平面应变单元，包含了对原单元的推广，即离面应变可以随着模型平面内的位置发生线性变化。这种单元列式特别适合于厚截面的热应力分析。②带有扭曲的轴对称单元，可以模拟初始时为轴对称几何形状，但能沿对称轴发生扭曲的模型。它适合于模拟圆桶形结构的扭转，如轴对称的橡胶套管。③带有反对称变形的轴对称单元，可以模拟初始时为轴对称几何形状，但能反对称变形的物体（特别是作为弯曲的结果）。它适合于模拟诸如承受剪切载荷的轴对称橡胶支座的问题。这里不讨论后面三种3种二维实体单元。二维实体单元必须在1-2平面内定义，并使节点编号顺序绕单元周界是逆时针的，如下图所示：当使用前处理器生成网格时，要确保所有点处的单元法线沿着同一方向，即正向，沿着整体坐标的3轴。如果没有提供正确的单元节点布局，ABAQUS会给出单元具有负面积的出错信息。⑶自由度应力/位移实体单元在每个节点处都有平移自由度。相应地在三维单元中，自由度1，2，和3时有效的，而在平面应变单元、平面应力单元和无扭曲的轴对称单元中，只有自由度1和2是有效的。⑷单元性质所有的实体单元必须赋予截面性质，它定义了与单元相关的材料和任何附加的几何数据。对于三维和轴对称单元不需要附加几何信息，节点坐标就能够完整定义单元的几何形状。对于平面应力和平面应变单元，可能要指定单元的厚度，或者采用为1的默认值。⑸数学描述和积分在ABAQUS/Standard中，关于实体单元族有可供选择的数学描述，包括非协调模式（incompatiblemode）的数学描述（在单元名字的最后一个或倒数第二个字母为I）和杂交单元的数学描述（单元名字的最后一个字母为H）。在ABAQUS/Standard中，对于四边形或六面体（砖形）单元，可以在完全积分和减缩积分之间进行选择。在ABAQUS/Explicit中，只能使用减缩积分的四边形或六面体实体单元。数学描述和积分方式都对实体单元的精度产生显着影响。⑹单元输出变量默认情况下，诸如应力和应变等单元输出变量都是参照笛卡尔直角坐标系的。因此，在积分点处应力分量是作用在整体坐标系的1方向，如下图所示。即使在一个大位移模拟中单元发生了转动，仍默认是整体笛卡尔坐标系中定义单元变量。然而，ABAQUS允许用户为单元变量定义一个局部坐标系，该坐标系在大位移模拟中随着单元的运动而转动。当所分析的物体具有某个自然材料方向时，如在复合材料中的纤维方向，局部坐标系是十分有用的。3.1.3壳单元壳单元用来模拟那些一个方向的尺寸（厚度）远小于其他方向的尺寸，并且沿厚度方向的应力可以忽略的结构。在ABAQUS中，壳单元以字母S开头，SAX表示轴对称壳单元，在Standard中也提供了带有反对称变形的轴对称壳单元，它以字母SAXA开头。除了轴对称壳的情况外，在壳单元名字中的第一个数字表示在单元中节点的数目，而在轴对称壳单元名字中的第一个数字表示插值的阶数。在ABAQUS中具有两种壳单元：常规的壳单元和基于连续体的壳单元。通过定义单元的平面尺寸、表面法线和初始曲率，常规的壳单元对参考面进行离散。另一方面，基于连续体的壳单元类似于三维实体单元，它们对整个三维物体进行离散和建立数学描述，其运动和本构行为类似与常规壳单元。⑴壳单元库在Standard中，一般的三维壳单元有三种不同的数学描述：一般性目的（general-purpose）的壳单元、仅适合薄壳（thin-only）的壳单元和仅适合厚壳（thick-only）的壳单元。一般性目的的壳单元和带有反对称变形的轴对称壳单元考虑了有限的膜应变和任意大转动。三维“厚”和“薄”壳单元类型提供了任意大的转动，但是仅仅考虑小应变。一般性目的的壳单元允许壳的厚度随着单元的变形而改变，所有其他的壳单元假设小应变和厚度不变，即使单元的节点可能发生有限的转动。在程序中包含线性和二次插值的三角形和四边形单元，以及线性和二次的轴对称壳单元。所有的四边形壳单元（除了S4）和三角形壳单元S3/S3R均采用减缩积分。而S4单元和其他三角形壳单元则采用完全积分。在Explicit中的壳单元是一般性目的的壳单元，具有有限的膜应变和小的膜应变。该程序提供了带有线性插值的三角形和四边形单元，也有线性轴对称壳单元。对于大多数显示分析，使用大应变壳单元是合适的，然而，如果在分析中只涉及小的膜应变和任意的大转动，采用小应变壳单元则更富有计算效率。S4RS,S3RS没有考虑翘曲，而S4RSW（warp）则考虑了翘曲。⑵自由度在Standard的三维壳单元中，名字以数字5结尾的（例如S4R5，STRI65）单元每个节点只有5个自由度：三个平移自由度和两个面内转动自由度（即没有绕壳面法线的转动）。然而需要的话，可以使节点处的全部6个自由度都被激活，例如，施加转动的边界条件，或节点位于壳的折线上。其他的三维壳单元在每个节点处有6个自由度（三个平移和三个转动）。轴对称壳单元的每个节点处有三个自由度：1r方向的平移；2z方向的平动；6r-z平面内的转动。⑶单元性质所有的壳单元必须提供壳截面性质，它定义了与单元有关的厚度和材料性质。在分析过程中或分析开始时，可以计算壳的横截面刚度。若在分析过程中计算刚度，通过在壳厚度方向上选定的点，ABAQUS应用数值积分的方法计算力学行为。所选的点称为截面点（sectionpoint），如下图所示。相关的材料性质定义可以是线性的或者是非线性的。用户可以在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。如选择在分析开始时一次计算横截面刚度，可以定义横截面性质来模拟线性和非线性行为。这种情况下，ABAQUS以截面工程参量（面积、惯性矩等）的方式直接模拟壳体的横截面行为，所以，无需让ABAQUS在单元横截面上积分任意变量。因此，这种计算成本较小。以合力和合力矩的方式计算响应，只有在被要求输出时，才会计算应力与应变。当壳体的响应是线弹性时，建议采用这种方式。⑷单元输出变量以位于每个壳单元上表面上的局部材料方向的方式定义壳单元的输出变量。在所有大位移模拟中，这些轴随着单元的变形而转动。用户也可以定义局部材料坐标系，在大位移分析中它随着单元变形而转动。3.1.4梁单元梁单元用来模拟一个方向的尺寸（长度）远大于另外两个方向的尺寸，并且仅沿梁轴方向的应力时比较显着的构件。ABAQUS中梁单元的名字以字母B开头。下一个字符表示单元的维数：2表示二维梁，3表示三维梁。第三个字符表示采用的插值：1表示线性插值，2表示二次插值，3表示三次插值。⑴梁单元库在二维和三维中有线性、二次及三次梁单元，在ABAQUS/Explicit中没有提供三次梁单元。⑵自由度三维梁单元每个节点有6个自由度：3三平移和3个转动。在Standard中有“开口截面”（Open-section）型梁单元（如B31OS），它具有一个代表梁横截面翘曲（warping）的附加自由度（7）。二维梁在每个节点处有三个自由度：2个平移（1和2）和1个绕模型的平面法线转动的自由度（6）。3.1.5桁架单元所有的桁架单元都以字母T开头，随后的两个字符表示单元的维数，如2D表示二维桁架，3D表示三维桁架，最后一个字符表示在单元中的节点数目。在二维和三维中有线性和二次桁架，在Eplicit中没有二次桁架。桁架单元在每个节点处只有平动自由度，三维有3个，二维有2个。所有的桁架单元必须提供桁架截面性质、与单元相关的材料性质定义和指定的横截面面积。3.2刚性体刚性体的参考节点（rigidbodyreferencenode），它控制刚性体的运动。3.2.1确定何时使用刚性体将部分模型表示为刚性体而不是变形的有限元体，其优点是提高计算效率，已经称为部分刚性体的单元不进行单元层次的计算。在Explicit中，对于模拟结构中相对比较刚性的部分，若其中的波动和应力分布不重要，应用刚性体特别有效。刚性体和部分刚性体并不影响整体时间增量，也不会显着地影响求解的整体精度。由解析刚性表面定义的刚性体比离散的刚性体可以节省一些计算成本。3.2.2刚性体部件一个刚性体的运动是由单一节点控制的：刚性体参考点。它有平移和转动的自由度，对于每个刚性体必须给出唯一的定义，而刚性体参考点的位置一般并不重要。还有刚性体从属节点（rigidbodyslavenodes）。3.2.3刚性单元刚性单元的名字以R开头，下一个字符表示单元的维数，2D表示单元是平面的；AX表示单元是轴对称。最后的字符表示在单元中的节点数目。仅在刚性体参考点处有独立的自由度。对三维单元，有3平动3转动自由度；对平面和轴对称单元，参考点有自由度1，2和6（绕3轴转动）。小结：⑴单元类型的选择对模拟计算的精度和效率有重要影响。Explicit单元库中的单元是Standard单元库中的单元的子集。⑵节点的有效自由度依赖于该节点所属单元的类型。⑶单元的名字完整地表明了单元族、数学描述、节点数目以及积分类型。⑷所有单元必须提供截面性质定义，截面性质提供了定义单元几何形状所需的任何附加数据，而且也标识了相关的材料性质定义。⑸为了提高计算效率，模型中的任何部分都可以定义成为一个刚性体，它仅在其参考点上具有自由度。⑹在ABAQUS/Explicit分析中，作为一种约束方式，刚性体比多点约束的计算效率更高。四、应用实体单元Standard实体单元库与Explicit实体单元库有所不同，前者包括可以使用的所有单元类型，还有杂交和非协调模式单元；而后者主要是一阶线性插值单元，以及修正的二阶插值三角形和四面体单元，没有完全积分或者规则的二阶单元。可供使用的实体单元总数很大，仅三维模型就超过20种。模拟的精度很大程度上依赖于模型中采用的单元类型。如何对于一个特殊的模拟能够选择恰当、正确的工具或单元，这是一种能力，需要锻炼。4.1单元的数学描述和积分单元阶数（线性或二次）、单元数学描述和积分水平对结构模拟精度都会产生影响。4.1.1完全积分完全积分就是当单元具有规则形状时，所用的Gauss积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分。对六面体和四边形单元而言，所谓规则形状是指单元的边是直线并且边与边相交成直角，在任何边中的节点都位于边的中点上。完全积分的线性单元在每个方向上采用两个积分点，完全积分的二次单元（仅存在于Standard）在每个方向上采用3个积分点。下图所示：从例子可见，自由端挠度的误差是由于剪力自锁（shearlocking）引起的，这是存在于所有完全积分、一阶实体单元中的问题。剪力自锁引起单元在弯曲时过于刚硬。产生伪剪力的原因是单元的边不能弯曲，单元的位移场不能模拟与弯曲相关的变形而引起的。它的出现意味着应变能正在产生剪切变形，而不是产生所希望的弯曲变形，因此总的挠度变小，即单元过于刚硬。剪力自锁仅影响受弯曲载荷完全积分的线性单元的行为。在受轴向或剪切载荷时，这些单元的功能表现很好。而二次单元的边界可以弯曲，故它没有剪力自锁的问题。但是，如果二次单元发生扭曲或弯曲应力有梯度，将有可能出现某种程度的自锁。只有当确信载荷只会在模型中产生很小的弯曲时，才可以采用完全积分的线性单元。如果对载荷产生的变形类型有所怀疑，则应采用不同类型的单元。在复杂应力状态下，完全积分的二次单元也有可能发生自锁，因此如果在模型中应用这类单元，应仔细检查计算结果。4.1.2减缩积分只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分方法，而所有的锲形体、四面体和三角形实体单元，与减缩积分单元可以在同一网格中使用，并可以采用完全积分。减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点。减缩积分的线性单元只在单元的中点有一个积分点。线性的减缩积分单元由于存在着来自自身的所谓沙漏（hourglassing）数值问题而过于柔软。ABAQUS在一阶减缩积分单元中引入了一个小量的人工沙漏刚度以限制沙漏模式的扩展。在模型中应用的单元越多，这种刚度对沙漏模式的限制越有效，这说明只要合理地采用细化的网格，线性减缩积分单元可以给出可接受的结果。建议在厚度方向至少采用四个单元。线性减缩积分单元能够很好地承受扭曲变形，因此，在任何扭曲变形很大的模拟中可以采用网格细化的这类单元。在Standard中，二次减缩积分单元也有沙漏模式，然而在正常的网格中这种模式几乎不能扩展，并且在网格足够加密时也不会产生什么问题。在复杂应力状态下，二次减缩积分单元对自锁也不敏感，因此，除了包含大应变的大位移模拟和某些类型的接触分析之外，这些单元一般是最普遍的应力/位移模拟的最佳选择。4.1.3非协调模式单元仅在Standard中有非协调单元，它的目的是克服在完全积分、一阶单元中的剪力自锁问题。在一阶单元中引入了一个增强单元变形梯度的附加自由度。这些对变形梯度的增强完全是在一个单元内部，与位于单元边界上的节点无关。在弯曲问题中，非协调模式单元可能产生与二次单元相当的结果，但是计算成本却明显降低。然而，非协调模式单元对单元的扭曲（warping）很敏感。应用得当，非协调模式单元是有用的，它们可以以很低的成本获得较高的精度结果。但是必须确保单元扭曲是非常小的，当为复杂的几何体划分网格时，这可能难以保证，因此模拟这种几何体时，必须再次考虑应用减缩积分的二次单元，因为它们显示出对网格扭曲的不敏感性。然而，对网格严重扭曲的情况，简单地改变单元类型一般也不会产生精确的结果。网格扭曲必须尽可能最小化，以改进结果的精度。4.1.4杂交单元在Standard中，对于每种实体单元都有相应的杂交单元，包括所有的减缩积分和非协调模式单元。在Explicit中没有杂交单元，使用杂交公式的单元在它的名字中含有字母“H”。当材料行为是不可压缩（泊松比＝0.5）或非常接近于不可压缩（泊松比>0.475）时，采用杂交单元。橡胶就是一种典型的具有不可压缩性质的材料。对不可压缩材料，其体积在荷载作用下并不改变，因此，压应力不能由节点位移计算。杂交单元包含了一个可直接确定单元压应力的附加自由度，节点位移只用来计算偏（剪切）应变和偏应力。4.2选择实体单元对于某一具体的模拟，如果想以合理的费用得到高精度的结果，那么正确选择单元类型非常关键。下面的建议适用于所有单元类型选择：⑴尽可能减小网格的扭曲。使用扭曲的线性单元的粗糙网格会得到相当差的结果。⑵对于模拟网格扭曲十分严重的问题，应用网格细化的线性、减缩积分单元（CAX4R，CPE4R，CPS4R，C3D8R等）⑶对三维问题应尽可能地采用六面体单元（砖形）。它们以最低的成本给出最好的结果。当几何形状复杂时，还需要锲形和四面体单元，这些单元——C3D4和C3D6——的一阶模式是较差的单元（需要细化网格以取得较好的精度）。作为结论，只有必须完成网格划分时，才应用这些单元，即便如此，它们必须远离需要精确结果的区域。⑷某些前处理器包含了自由划分网格算法，用四面体单元划分任意几何体的网格。对于小位移无接触的问题，在Standard中的二次四面体单元（C3D10）能给出合理的结果。这个单元的另一种模式是修正的二次四面体单元（C3D10M）,它适用于所有的单元类型，对于大变形和接触问题，这些单元是强健的，展示了很小的剪切和体积自锁。但是无论何种四面体单元，所用的分析时间都长于采用等效网格的六面体单元。不能采用仅包含线性四面体单元（C3D4）的网格，除非使用相当大量的单元，否则结果将是不精确的。Standard的用户还需要考虑如下建议：⑴除非需要模拟非常大的应变或者模拟一个复杂的、接触条件不断变化的问题，对于一般的分析工作，应采用二次、减缩积分单元（CAX8R，CPE8R，CPS8R，C3D20R等）⑵在存在应力集中的局部区域，采用二次、完全积分单元（CAX8，CPE8，CPS8，C3D20等）。它们以最低的成本获得最好的解答。⑶对于接触问题，采用细化网格的线性、减缩积分单元或者非协调模式单元（CAX4I，CPE4I，CPS4I，C3D8I等）。4.3例题：连接环研究结构的静态响应，应该使用ABAQUS/Standard作为分析工具；若要研究突然加载所导致的瞬时动态效果，应使用ABAQUS/Explicit。对一个结构进行分析时，都要采取一定的假设，以简化问题，这些假设必须合理，尽量与实际情况吻合。4.3.1前处理——用ABAQUS/CAE创建模型⑴定义模型的几何形状建立模型的第一步总是定义它的几何形状。可以应用伸展基本特征（extrudedbasefeature）来创建图形，首先绘制出连接环的二维轮廓，然后伸展成型。①对Approximatesize（大致尺寸）的理解：这里默认都采用米制单位，栅格永远是以米为单位的，输入不同的AS值，每格尺寸会放大或缩小，但都代表实际尺寸。应根据所绘图形的尺寸来确定这个值，当输入为1时，每格尺寸为0.02米；当输入为10时，每格尺寸为0.2米，依次类推。②绘制完二维图形后，显示EditBaseExtrusion（编辑伸展方式）对话框，指定轮廓图伸展距离后，就可以生成三维图形。⑵定义材料和截面特性要做的就是：先创建材料，定义材料；然后创建截面，定义截面；最后通过Assign命令，把截面定义赋予部件。⑶生成装配件一个装配件包含有限元模型中的所有几何体，每个CAE模型包含一个单一装配件，尽管已经创建了部件，但是开始时装配件是空的（装配件就相当于把众多部件组装成模型的一个“车间”），必须在Assembly（装配件）模块中创建一个部件的实例，并将其包含入模型中。选择Instance→Create，创建一个部件实例。⑷定义分析步骤和指定输出要求由于相互作用、载荷和边界条件是与分析步骤关联的，所以在确定它们之前必须定义分析步骤。边界条件一般加在系统默认的初始步（initial）上，用户可以根据需要定义多个分析步。Output命令中，可以设置输出场变量和历史变量，历史变量可以取消不用输出。⑸指定边界条件和施加载荷注意分割命令的使用，有分割实体（cell），分割面（face），分割边（edge）三种命令，