（材料加工工程专业论文）adina前处理程序的二次开发.pdf

a d i n ap r e t r e a t m e n tp r o g r a ms e c o n d a r yd e v e l o p m e n t b y w a n g w a n y e b e ( n o r t h e a s ta g r i c u l t u r eu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a ls c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yft e c h n o l o g y a n z l l o uum v e r s l t yo1e c l a n o l o g yt s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix u d o n g a p r i l ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：日期：为f 年月、i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：w ，年 日期：如，年 的转移矩阵，其关系式为 f ) = 【k 】 ，即总体平衡方 程； ( 4 ) 引入边界条件，求各节点位移：节点边界条件有两种，一种是节点n 沿 某一方向的位移是零，另一种是节点n 沿某一方向的位移是一给定值； ( 5 ) 求出各单元内的应力和应变。 2 、无论在局部坐标系还是在整体坐标系中，单元刚度矩阵都具有相同的以下 三个特性： ( 1 ) 对称性；有材料力学中的位移互等定理【2 3 1 可知，对于一个构件，作用在 点j 的力引起点i 的绕度等于有同样大小却作用在点i 的力引起的点j 的绕度，即 k u ( 。) = k j i 【c ) ，这表明单元刚度矩阵是一个对称矩阵。 ( 2 ) 奇异性：无逆阵的矩阵叫做奇异矩阵，此类矩阵的行列式的值为0 ，即 l 【k 】。p o ，这一点可以从任意例题中直接得到验证。其物理意义是，引入边界条件 之前，单元可平移。 ( 3 ) 分块性：矩阵【k 】o ) 可用虚线分成四块，因此，可以写成下面的分块形式， f 厂) 。l p = r 后 。 后 。2 p j ) 。l 。 2j岍2 。 后 2 2 j 2j 式中：【k 】m n ( c ) 局部坐标系中单元( e ) 按局部码标记的节点1 1 1 、n 之间的刚 度子矩阵。 3 、刚架结构中非节点载荷的处理方法： 在刚架结构以及其他较复杂的结构上，他们所受的载荷可直接作用在节点上， 又可不直接作用在节点上而作用于单元节点间的其他位置。后一种情况下的载荷 称为非节点载荷。在有限元分析中，总体刚度方程中所用到的力向量 f ，是节 点力向量。所以，在进行整体分析前，应当进行载荷移植一一将作用于单元上的 力移植到节点上。移植时按静力等效原则进行。 一1 8 硕士学位论文 可直接在整体坐标系内进行，其过程为： ( 1 ) 将各个杆单元看成一根两端固定的梁，分别求出两个固定端的约束反力。 其结果可直接利用材料力学的公式求得； ( 2 ) 将各固定端的约束反力变号，按节点进行集成，获得各节点的等效载荷。 4 、总体刚度矩阵的集成法： 使用刚度矩阵获得的方法获得总体刚度矩阵。在此将其扩展到由整体坐标系 中的单位刚度矩阵的子矩阵集成总体刚度矩阵，步骤如下： ( 1 ) 对一个有n 个节点的结构，将总体刚度矩阵 k 】划分为n x n 个子区间， 然后按节点总码的顺序进行编号： ( 2 ) 将整体坐标系中单元刚度矩阵的各子矩阵根据其下标的两个总码对号入 座，写在总体刚度矩阵相应的子区间； ( 3 ) 同一子区间内的子矩阵相加，成为总体刚度矩阵中的相应的子矩阵。 5 、总体刚度矩阵的特性： ( 1 ) 对称性：因为由此特性，在计算机中只需存储其上三角部分； ( 2 ) 奇异性：物理意义为在无约束的情况下，整个结构可做刚体运动； ( 3 ) 稀疏性：【k 】中有许多零子矩阵，而且在非零子矩阵中还有大量的零元素， 这种矩阵称为稀疏矩阵。大型结构的总体刚度矩阵一般都是稀疏矩阵： ( 4 ) 分块性：同单元刚度矩阵的分块性。 了解刚度矩阵的这些特性，可以大大减少计算机的内存和计算工作量。 6 、在有限元方法中，把计算域离散剖分成为有限个互不重叠并且相互连接的 单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解， 整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内 的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在数值模拟中，常见的有限元计算 方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根 据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。 ( 1 ) 从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法； ( 2 ) 从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形网 格； ( 3 ) 从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不 同的组合同样构成不同的有限元计算格式。 对于权函数，伽辽金( o a l e r k i n ) 法是将权函数取为逼近函数中的基函数；最小 二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最 小；在配置法中，先在计算域内选取n 个配置点。令近似解在选定的n 个配置点 上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为o 。插值函数一般由不同次幂 一1 9 一 a d i n a 前处理程序的二次开发 的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多 项式插值函数。1 2 4 j 有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值， 称为拉格朗日( l a g r a n g e ) 多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它 的导数值在插值点取已知值，称为哈密特( h e r m i t ) 多项式插值。单元坐标有笛卡 尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一 种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面 积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形 等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函 数为有l a g r a n g e 插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面 积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。 7 、对于有限元方法，其基本思路和解题步骤可归纳为：【3 1 ( 1 ) 建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与 微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。 ( 2 ) 区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖 分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备 工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的 关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节 点序号和相应的边界值。 ( 3 ) 确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满 足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中 选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。 ( 4 ) 单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进 行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定 系数( 即单元中各节点的参数值) 的代数方程组，称为单元有限元方程。 ( 5 ) 总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程 按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。 ( 6 ) 边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件( 狄里克 雷边界条件) 、自然边界条件( 黎曼边界条件) 、混合边界条件( 柯西边界条件) 。对 于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混 合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。 ( 7 ) 解有限元方程：根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定 未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。 一2 0 一 硕士学位论文 2 - 3 有限差分法、有限元法和有限体积法对比分析 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) y 称控制体积法，基本思路是：将待计算 区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将 待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是 网格点上因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的 变化规律，即假设值的分段的分布剖面。从积分区域的选取方法看来，有限体积 法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采 用局部近似离散的方法。简言之就是子区域法属于有限体积法的基本方法。 有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物 理意义就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，就如同，微分方程表示 因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要 求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域自然也得 到满足。这是有限体积法吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅 当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法，即使在粗网格情 况下，也显示出准确的积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视作有限单元 法和有限差分法的中间物。有限单元法必须假定值在网格点之间的变化规律( 即插 值函数) ，并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网 格点之间如何变化。有限体积法只寻求的结点值，这与有限差分法相类似；但有 限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有 限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出 离散方程之后，便可忘掉插值函数；若需要的话，可以对微分方程中不同的项采 取不同的插值函数。 下面是对有限差分法、有限元法和有限容积法三者的比较分析：【2 5 j 第一，有限差分法( f d m ) ：直观，理论成熟，精度可控但不规则区域处理繁 琐，虽然网格生成可使f d m 应用于不规则区域，但对区域的连续性等要求较严。 使用f d m 的好处在于易于编程，易于并行。有限元方法( f e m ) - 适合处理复杂区 域，精度可控，缺憾在于内存和计算量巨大。并行不如f d m 和f v m 直观。不过 f e m 的并行是当前和将来应用的一个不错的方向。有限体积法( f v m ) - 适于流体 计算，可以应用于不规则网格，适于并行。但是精度基本上只能是二阶了。f v m 的优势正逐渐显现出来，f v m 在应力应变，高频电磁场方面的特殊的优点正在被 人重视。 第二，有限体积法和有限差分法的一个区别就是有限体积法的截差是不定的 ( 跟取的相邻点有关，积分方法离散方程) ，而有限差分就可以直接知道截差( 微分 方法离散方程) 。有限体积法和有限差分法最本质的区别是，前者是根据积分方程 推导出来的( 即对每个控制体积分) ，后者直接根据微分方程推导出来，所以前者 一2 1 a d i n a 前处理程序的二次开发 的精度不但取决于积分时的精度，还取决与对导数处理的精度，一般有限体积法 总体的精度为二阶，因为积分的精度限制，当然，有限体积法对于守恒型方程导 出的离散方程可以保持守恒型；而后者直接由微分方程导出，不涉及积分过程， 各种导数的微分借助t a y l o r 展开，直接写出离散方程，当然不一定有守恒性，精 度也和有限体积法不一样，一般有限差分法可以使精度更高一些。当然二者有联 系，有时导出的形式一样，但是概念上是不一样的。 第三，有限体积法和有限元法相比，有限元法在复杂区域的适应性对有限体 积法是毫无优势可言的，至于有限体积法的守恒性，物理概念明显的这些特点， 有限元法是没有的。目前有限体积法在精度方面与有限元法有些差距。 第四，有限元方法比有限差分优越的方面主要在能适应不规则区域，但是这 只是指的是传统意义上的有限差分，现在发展的一些有限差分已经能适应不规则 区域。对于椭圆型方程，如果区域规则，传统有限差分和有限元都能解，在求解 效率，这里主要指编程负责度和收敛快慢、内存需要，肯定有限差分有优势。 2 4 有限元分析方法 有限元分析就是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，如几何和载 荷工况。并利用简单并且相互作用的元素单元，用有限数量的未知量逼近无 限未知量的真实系统。有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并确定在载荷条件 下设计响应的方法。它是用单元的离散块体来模拟设计。 有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态物理物体或物理系统。在这 种方法中，一个物体或系统被分解成由多个相互联结的、简单的、独立的点组成 的几何模型。在这种方法中，这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。 由实际物理模型中推导出来的平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方 程组，这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析的精确度无法无限 提高，元的数目到达一定高度后解的精确度便不再提高，只有计算时间不断提高。 有限元分析( f e a ) ，又称为有限单元法( f e m ) ，它是求解场问题的数值解的一 种方法。在数学上，一个场问题是由微分方程或积分表达式描述的。每种描述都 可以用于有限元列式。在通用的有限元分析程序中，包含了现成形式的有限元( f e ) 列式。有限元分析求解问题步骤包括：查明问题；准备数学模型，并将其离散化； 用计算机进行计算；检查结构。通常需要对以上步骤进行多次循环。【2 l 】 2 5 本章小结 ( 1 ) 阐述了什么是有限差分法( f d m ) ，有限差分法的基本思想，差分格式的种 类与构造方式，有限差分法的主要步骤； 一2 2 硕士学位论文 ( 2 ) 阐述了什么是有限元法( f e m ) ，与有限元相关的几个概念，有限元法的产 生、特点、作用与应用，有限单元的类型，以及有限元法的求解，包括单元刚度 矩阵的特性、刚架结构上非节点载荷的处理、总体刚度矩阵的集成和特性、常见 的有限元计算方法及有限元方法基本思想和解题步骤； ( 3 ) 阐述了什么是有限体积法( f v m ) 及其基本思想，对有限差分法、有限元法 和有限体积法进行了两两对比分析，及三者之间的对比分析，并对有限元分析进 行了简单阐述。 一2 3 a d i n a 前处理程序的二次开发 第3 章a b a q u s 与a d i n a 接口程序开发 3 1a b a q u s 软件介绍 a b a q u s 软件是一个功能强大的有限元软件，它可以分析复杂的固体力学及 结构力学系统，模拟非常庞大、复杂的模型，也可以处理高度非线性问题。 a b a q u s 包括一个丰富的单元库，它可以模拟任意几何形状。并拥有各种类型的 材料模型库，可模拟典型工程材料性能，包括：金属、高分子材料、橡胶、复合 材料、可压缩超弹性泡沫材料、钢筋混凝土以及土壤和岩石等地质材料。作为通 用模拟工具，a b a q u s 除了能解决大量结构( 应力和位移) 问题，还可模拟其他工 程领域的问题，如：质量扩散、热传导、热电耦合分析、岩土力学分析( 流体渗透 和应力耦合分析) 、声学分析以及压电介质分析。【2 6 】 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，使用起来非常简单。大量复杂的问题可 以通过选项块的不同组合模拟出来。在大部分模拟中，即使是高度非线性问题， 用户也只需提供一些工程数据，比如结构几何形状、材料属性、边界条件和载荷 工况。在非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应的载荷增量和收敛限度。它不 仅能选择合适的参数，而且能连续调节参数，以保证在分析过程中有效的得到精 确解。用户通过准确的定义参数就可以很好的控制数值计算结果。a b a q u s 有两 个主求解器模块：a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t ，还包含一个全面支持 求解器的图形用户界面a b a q u s c a e 。a b a q u s 对某些特殊问题还提供了专 用模块加以解决。 在a b a q u s 当中，最值得一提的是其强大的分析能力，以及可以模拟复杂 系统的可靠性。在本课题的研究中就利用了a b a q u s 软件的建立复杂模型的能 力。利用i n p 文件，编写适用的新文件，即n a s 文件，使得在a b a q u s c a e 模 块中建立的模型，能够在a d i n a 软件中显示并使用。因此，以下主要对 a b a q u s c a e 模块和i n p 文件进行简单介绍。 3 1 1a b a q u s c a e 简介 a b a q u s c a e 是a b a q u s 中全面支持求解器的前后处理模块，它是 a b a q u s 的交互式图形环境，全称是c o m p l e t ea b a q u se n v i r o n m e n t 。 a b a q u s c a e 可以方便快捷地构造模型，给不见定义材料属性、载荷和边界条 件等参数。a b a q u s c a e 拥有强大的网格划分功能，可以检验所构造的分析模 型，提交、监视、控制分析作业，使用后处理模块显示分析结果。 a b a q u c a e 中包含一系列的功能模块：p a r t ( 部件) 、p r o p e r t y ( 特性) 、 a s s e m b l y ( 装配) 、s t e p ( 分析步) 、i n t e r a c t i o n ( 相互作用) 、l o a d ( 载荷) 、m e s h ( 网 一2 4 硕士学位论文 格) 、j o b ( 分析作业) 、s k e t c h ( 绘图) 、v i s u a l i z a t i o n ( 后处理) 。常见的a b a q u s c a e 模型创建顺序如图3 1 所示。 i p a n ( 部件) 上 i m e s h ( 网格) 上 l p r o p e n y ( 特性) 上 i a s s e m b l y ( 装配) 上 i s t e p ( 分析步) 上 l l o a d ( 载荷) 上 l j 。b ( 分析作业) 上 i v i s u a l i z a t i 。n ( 后处理) 图3 1 常用a b a q u s c a e 模型创建顺序1 2 6 1 3 1 2i n p 文件简介 i n p 文件是一种扩展名为i n p 的文本文件，包含了对整个模型的完整描述， 它在前处理器和求解器间建立了一个传递数据的桥梁。通过直接修改i n p 文件， 也可以达到修改模型参数和控制分析过程的目的，还可以完成一些a b a q u s c a e 不支持的功能。在a b a q u s c a e 中，在j o b 功能模块中提交分析作业或点击j o b m a n a g e r 对话框中w r i t ei n p u t ，都可以在默认的工作目录下生成i n p 文件。【2 6 】 i n p 文件是由一系列的数据块构成，各个数据块描述模型某个部分的特定信 息。每个数据块以带有号的关键词开始，其后往往带有相应参数及一个或多个数 据行。解析各个数据块所描述的特定信息【2 7 1 ，是本研究课题最关键的问题之一。 1 、a b a q u s 输入文件( i n p u t 文件) 的结构形式： ( 1 ) 必须有一个* h e a d i n g 开头； ( 2 ) 接下来是模型数据部分，定义节点，单元，材料，初始条件等。模型数 据的层次为：部件，组装，模型； a 、必须的模型数据：几何数据：模型的几何形状是用单元和节点来定义的， 结构性单元的截面是必须定义的。比如梁单元。特殊的特征也可以用特殊的单元 一2 5 a d i n a 前处理程序的二次开发 来定义，比如弹簧单元，阻尼器，点式群体等；材料的定义：材料必须定义， 比如使用的是钢、岩石、土等材料。 b 、可选的模型数据：零件和组合：一个模型可以用几个零件来定义，又可 以把几个零件组合成一个集来定义；初始条件：比如初始应力，温度，或者速 度等；边界条件；运动约束；相互作用；振幅定义；输出控制：环 境特性；用户子程序；分析附属部分。 ( 3 ) 接下来是历史数据：定义分析的类型，载荷，输出要求等。分析的目的 就是预测模型对某些外部载荷或者某些初始条件的反映。一个a b a q u s 分析是 建立在s t e p 的概念上的，( 在历史数据中描述) 在分析中可以定义多个s t e p s 。 每个s t e p 用* s t e p 开始，用* e n ds t e p 结束。* s t e p 是历史数据和模型数据的 分界点，第一次出现* s t e p 的前面的是模型数据，后面的就是历史数据。 a 、必须的历史数据：响应类型：必须立刻出现在* s t e p 选项后面。a b a q u s 中有两种响应步，一种是总体分析响应步，可以是线形和非线形的，另一种是线 形扰动步。 b 、可选历史数据：载荷：通常定义某种加的载荷类型和大小，载荷可以被 描述成时间的函数；边界条件输出控制；辅助控制；再生单元和曲面。 2 、i n p u t 文件的语法和规则： ( 1 ) 关键词行： 必须以开始，后面接的是选项的名字，然后随之定义选项的内容，如： m a t e r i a ln a m e = s t e e l 注释行是以幸开始的； 如果有参数，则参数和关键词之间必须用“，格开； 在参数之间必须用“， 格开； 关键词行中的空格可以忽略； 每行的长度不能超过2 5 6 个字符； 关键词和参数对大小写是不区分的； 参数值通常对大小写也是不区分的，但是唯一的例外是文件名区分大小 写； 关键词和参数，以及大多数情况下的参数值是不需要全拼写出来的，只要 他们之间可以相互区分就可以了； 假如参数有响应的值，则付值号是“= ； 关键词行可以延续，比如参数的名字很长，要在下一行继续这个关键词行 的话就可以这样做，用“， 来连接，比如： * e l a s t i c ，t y p e = i s o t r o p i c d e p e n d e n c i e s = i 一2 6 硕十学位论文 。有些选项允许i n p u t 和f i l e 的参数作为一个输入文件名，这样的文件 名必须包括一个完整的路径名或者是一个相对路径名。 ( 2 ) 数据行：( 数据行如果和关键词相联系必须紧跟关键词行) 一个数据行包括空格在内不能超过2 5 6 个字符； 所有的数据条目之间必须用“，一格开： 一行中必须包括指定说明的数据条目的数字； 每行结尾的空数据域可以省略； 浮点数最多可以占用2 0 个字符： 整数可以是1 0 个； 字符串可以是8 0 个； 延续行可以被用到特定的情况。 ( 3 ) 标签： 什么是标签呢，比如集名，曲面名，钢筋名，他们是区分大小写的，长度可 以有8 0 个字符长。标签中的空格是可以省略的，除非用“来标示。那就不能省 略了。没有用“ 来标示的标签必须用字母来开头。如果一个标签用“ 来定义 那么“一也是标签的一部分。标签的开始和结束不能用双重“一 。 下面是一个使用了引号和没有使用引号的例子： e l e m e n t ，t y p e = s p r i n g a ，e l s e t = ”o n ee l e m e n t ” 1 ，1 , 2 s p r i n g ，e l s e t = ”o n ee l e m e n t 1 o e 一5 n s e t ，e l s e t - - o n ee l e m e n t ，n s e t = n o d e s e t b o u n d a r y n o d e s e t ，1 ，2 ( 4 ) 数据行重复： 数据行可以重复，也就是说每行数据可以有一行响应的变量也可以有几行。 同样也可以有多行数据行，对应各自的变量行。如： e l a s t i c ，t y p e = i s o t r o p i c 2 0 0 e 3 ，0 3 ，2 0 15 0 e 3 ，0 3 5 ，4 0 0 8 0 e 3 ，0 4 2 ，7 0 0 定义了一个零件的材料性质，均质，线弹性，在不同应力下的扬式模量和泊 松比。 一2 7 a d i n a 前处理程序的二次开发 3 2a d i n a 软件介绍 a d i n a 软件是一种基于有限元技术的大型的通用分析仿真平台。a d i n a 软 件广泛应用在各个工业领域、研究机构及教育机构。a d i n a 系统是一个单机系统 程序，主要用于对固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动的复杂有限元 问题进行综合性分析。a d i n a 系统还是最主要的用于结构相互作用的流体流动完 全耦合分析程序( 多物理场) 。a d i n a 软件是全球最先进的有限元分析软件。【l l 】 a d i n a 软件有u n i x 工作站、l i n u x 和w i n d o w s 三个主要版本，从8 0 版本 开始，在不同平台上的a d i n a 界面几乎一致。 a d i n a 是全球功能最为强大、技术最为领先的非线性及多物理场耦合求解商 业程序系统，以其绝对的理论优势应用于全球各行各业的科研和工程领域。 a d i n a 专注于复杂非线性问题的求解、复杂动力问题的求解、开创性的工作、专 利技术。a d i n a 强调计算的效率及结果的可靠性。 3 2 1a d i n a 系统的主要模块 a d i n a 系统主要包括以下产品模块： ( 1 ) 前后处理模块：a d i n a a u i ( 2 ) 结构分析模块：a d i n as t r u c t u r e ( 3 ) 计算流体动力学( c f d ) 分析模块：a d i n a c f d ( 4 ) 热分析模块：a d i n a t h e r m a l ( 5 ) 流体结构耦合分析模块( 包括热) ：a d i n a f s i ( 6 ) 热机械耦合分析模块：a d i n a t m c ( 7 ) p a r a s o l i d 高级建模模块：a d i n a m ( 8 ) 与c a d c a e 软件的专用接口：a d i n a t r a n s o r ( 9 ) 9 0 0 节点的教育学习版( 不包含p a r a s o l i d 高级建模功能) ：9 0 0 一n o d e v e r s i o n 3 2 2a d i n a 软件的特点 a d i n a 软件是个全集成的有限元分析系统，采用完全的w i n d o w s 界面风格， 既可采用图标，也可使用菜单来执行任务。 a d i n a 是基于p a r a s o l i d 核心的实体建模技术，可以与采用p a r a s o l i d 核心的 软件直接交换几何模型，可实现无缝集成。如u n i g r a p h i e s 、i r o n c a d 、m i c r a s t a t i o n 、 s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 。有些c a d c a e 软件，没有采用p a r a s o l i d 内核，只要有 p a r a s o l i d 接口，也可以将模型以p a r a s o l i d 格式传入a d i n a 。 除了p a r a s o l i d 接口，a d i n a 还具有与其他流行c a d c a e 软件的各种数据 传递的接口。如i g e s 通用数据接口、m s c n a s t r a n 输入文件可直接读入、与 一2 8 硕士学位论文 p r o e n g i n e e r ，s o l i d w o r k s ，u n i g r a p h i e s ，s o l i d e d g e ，i d e a s ，m i c r o s t a t i o n a u t o c a d ， n a s t r a n 、p a t r a n 实现模型数据传递。 对于普通的几何图形，a d i n a 可使用全自动网格生成，可灵活控制单元大小 分布，映射网格划分可用于更简单的几何图形。物理特性、在和和边界条件可直 接分配到模型的几何图形上，因此，即使有限元网格得到修改，不受模型清晰度 影响。 在模型创建期间，对话文件( s e s s i o n ) 会记录下用户的输入和选取值。通过播 放对话文件可重新创建一个完整模型，同时还可修改对话文件来创建一个不同的 模型。 a d i n a 有丰富的单元类型和材料模式，而且还支持用户自定义材料。a d i n a 功能强大，在许多应用领域被广泛应用。例如：机械工业应用领域、汽车工业应 用领域、材料加工应用领域、航空航天应用领域、土木工程应用领域、电子电器 应用领域、断裂力学应用领域、国防军工应用领域、生物力学应用领域等。 3 2 3a d i n a 软件的功能简介 1 a d i n a 用户界面 a d i n a 是个全集成的有限元分析系统，所有分析模块都使用统一的前后处理 用户界面a d i n au s e ri n t e r f a c e ( a u i ) 2 8 - 3 0 】，易学易用。 a d i n a a u i 前处理功能：采用w i n d o w s 图标风格创建几何模型；用户可以 根据需要自行添加和减少图标，任意组织界面；可对常用功能操作自定义快捷键； 具有u n d o 和r e d o 功能；模型可以动态旋转、缩放和平移；拥有快速方便的布尔 运算，亦可快速建立复杂模型；具有各种加载方式，载荷亦可随时间和空间位置 而变化；多种网格划分功能，可对复杂模型进行自动六面体网格划分。 a d i n a a u i 后处理功能：支持各种结果变量的可视化处理，可网格变形图、 彩色云图、等值线图、矢量图、曲线图及其他实用绘图；同一窗口可显示不同结 果图形；模型图可以隐藏或透明显示；拥有屏幕或文件变量数据列表；可方便的 绘制出模型的任意点任一计算结果参量在随时间或其他参量变化的曲线，如应力 应变曲线、应力时间曲线、位移时间曲线等；可进行变量运算，并可从输出变 量中定义导出变量；可对相对结果进行图形的显示。 2 材料模式 a d i n a 软件支持一百多种金属和非金属材料模式，如正交各向异性性弹性、 各向同性线弹性、非线性弹性、双线段和多线段等温塑性、m r o z 双线段等温塑性、 正交各向异性塑性、g u r s o n 、i l y u s h i n 、热弹性、热弹塑性、蠕变、d r u c k e r p r a g e r 、 黏弹性等等，此外，还支持用户自定义材料。 3 载荷与边界条件 一2 9 a d i n a 前处理程序的二次开发 在a d i n a 中用户可根据需要施加各种载荷，如力、力矩、位移、线及面压 力、离心力重力、管的内压力、电磁力等场力、温度、温度梯度、孔压力、孔流、 热流密度、速度以及各种初始条件。这些既可以是恒定载荷，也可以是随时间空 间变化而变化的，即是时间和空间的函数。载荷还可以是模拟方向不变的力，也 可以模拟跟随力，或者是压力和结构表面跟随压力。边界条件具有生死功能，可 随时间变化。可以给定任意方向约束。 4 计算分析功能 a d i n a 是目前世界上分线性功能最有效最可靠的分析软件，它包括静力分析 和动力分析。在静力分析中能有效地考虑各种非线性效应，包括几何非线性、状 态非线性、材料非线性等。在状态非线性问题中，a d i n a 可以有效地模拟接触分 析、单元生死、流固耦合分析和结构孔隙流体温度耦合分析，及其他的状态非 线性问题如相变和材料失效等问题。动力分析包括瞬态动力学分析( 时程分析) 、 模态分析、响应谱分析、谐波响应分析和随机振动分析。在a d i n a 中，屈曲分 析分为线性和非线性屈曲解法。除以上分析，a d i n a 中还有，流固耦合分析、渗 流( 结构渗流温度场耦合) 分析、c f d 流动分析和温度场分析。 3 3 接口程序编制 a b a q u s 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相 对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。a b a q u s 被广泛地认为是功能最强 的有限元软件，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够模拟高度 非线性问题。 a d i n a 是通用有限元软件，用于进行固体、结构、流体以及结构相互作用的 流体流动的复杂有限元分析。a d i n a 系统是最主要的、用于结构相互作用的流体 流动的完全耦合分析程序。可以分析2 d 和3 d 固体应力以及静力学和动力学中的 结构，对象可以是线性的或者非线性的。但是，对于复杂的三维模型，在a d i n a 中是自下而上依次建立点、线、面、体，其中面和体需手工完成，费时费力，又 容易出错。而使用a b a q u s 建模就省去了其中的许多麻烦。 使用p y t h o n 语言编写a b a q u st oa d i n a 的文件转换接1 ：3 程序【3 1 刁3 1 ，实现 模型点、线、面、体的自动定义，既解决了手工定义的费时费力，又避免定义过 程中易出错。将a b a q u s 的前处理技术与a d i n a 软件的分析功能结合起来，以 搭建a b a q u s 和a d i n a 软件之间有限元模型的转换的桥梁。图3 2 即为总流程 图。 一3 0 硕士学位论文 i a b a q u s 建模 上 i 输出数据交换文件 上 i 运行文件转换程序 上 i 运行a 。i n a 进行求解 i 启动a b a q u s 画几何模型 i 创建部件 士 i 划分网格 山 1 1 装配 l 0 i 设置材料属性 士 i 施加载荷与边界条件 图3 2 总流程图 3 3 1 基于a b a q u s 前处理的建模 在图3 2 总流程图中，a b a q u s 建模部分为a b a q u s 前处理工作流程。首 先就是启动a b a q u s c a e 画出所要分析的几何模型，然后对其划分网格、附材 料属性、装配、设置分析步、施加载荷和边界条件等，最后生成数据交换文件， 即i n p 文件。 3 3 2p y t h o n 编写接口程序 a d i n a 具有丰富的数据接口：a d i n a 采用p a r a s o l i d 核心的软件直接交换几 何模型；i g e s 通用数据接口可以将一些与a d i n a 没有直接接口的c a d 系统几 何模型读入a d i n a ；m s c n a s t r a n 输入文件可以直接读入a d i n a a u i 数据库； 与p r o e 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r d s 、m i e r o s t a t i o n 、a u t o c a d 、i d e a s 、 n a s t r a n 、p a t r a n 可实现模型数据传递。比较分析后确认，选用n a s 文件可 方便的继承交换文件的数据。 程序内容主要包括：读写节点坐标、读写材料类型及属性、读写单元信息并 进行分类判断、读取边界条件及载荷信息。图3 3 显示了该接口程序的流程。 一3 1 a d i n a 前处理程序的二次开发 ( s t a r t ) 上 i 卖i n p 文件，建n a s 文件 读取节点信息，写入n a s 文件 山 读取材料属性信息，写入n a s 文件 山 读取单元信息，写入n a s 文件 j r 读取边界条件信息，写入n a s 文件 j r 读取载荷信息，写入n a s 3 擀 上 ( 啪) 图3 3 接口程序流程图 1 ) 节点编号重整 在n a s 文件中的节点信息是按顺序全部写在一起的，而在i n p 文件中的节 点信息是按不同的p a r t 分别按顺序编写。程序语言只需将i n p 文件中的多个p a r t 重新编号编写到一起。最重要的是，记录下修改后的节点编号与修改前相对应的 编号，以便以后使用、修改方便。 节点信息格式：g r i d( 节点编号) ( 节点坐标) ( 坐标系) 节点编号占8 位，不足前面补空格；节点坐标x 、y 、z 方向各占8 位，不足 位的小数点后补零，各坐标之间不问隔；坐标系占8 位，前面补空格；节点编号 与节点坐标之间有8 位空格；多个p a r t 中的节点按顺序编号，不重新编号。 2 ) 材料类型分辨 在n a s 文件中的材料按照不同类型对应不同的编号，并按顺序为i n p 文件 中所含的多个材料编写其代号。 材料属性格式：m a t ( 材料编号) ( 材料代号) ( 杨氏模量) ( 8 位空位) ( 泊松 比) ( 密度) ( 热膨胀系数) 材料编号占5 位，不足后面补空格；材料代号占8 位，不足前面补空格；杨 氏模量占8 位，用科学计数法表示，省去小数点前的零，如( 2 0 0 0 e 1 1 ) ，若材料 一3 2 硕士学位论文 属于流体，用体积代替杨氏模量位置，并在其后补密度，占8 位，不足在小数点 后补零；泊松比、密度、热膨胀系数各占8 位，不足在后面补零。 3 ) 单元类型及所属材料分辨 在n a s 文件中主要有两种单元类型，c h e x a 表示8 个或2 0 个节点组成的 单元，c h e t r a 表示4 个或1 0 个节点组成的单元，并同时编写该单元所属材料 的代号。 单元信息格式： c h e x a( 单元编号) ( 材料代号) ( 节点编号) 一8 、2 0 节点单元 c h e t r a( 单元编号) ( 材料代号) ( 节点编号) 一4 、1 0 节点单元 单元编号8 位，不足前面补空格；材料编号占8 位；每个节点编号各占8 位， 若节点超过6 个，在第6 个节点编号后加字符“+ ，在下一行开头加字符“+ 及7 位空格，再在其后补剩余节点编号；多个p a r t 中的单元按顺序编号，不重 新编号。 4 ) 约束类型与约束编号 在n a s 文件中边界条件的约束类型主要有两种，s p c 表示单个节点的约束， s p c i 表示连续节点约束。约束编号是对应着n a s 文件中施加在某个节点集合上 的边界条件类型的自由度编号组合。 边界条件格式： s p c1 ( 节点编号) ( 约束编号) s p c i1 ( 约束编号) ( 节点编号) t h r u ( 节点编号) 节点编号占8 位，约束编号占8 位：s p c 表示单个节点的约束。s p c i 表示 连续节点的约束。 载荷信息格式：( 载荷类型) ( 载荷编号) ( 载荷大小) ( 载荷方向) 载荷类型占8 位，不足在后面补空格；载荷编号占8 位，不足在前面补空格； 载荷编号与大小之间有8 位空格；载荷大小占8 位，不足在后面补零；载荷方向 三个方向分别占8 位，是0 的记为o 0 ，在前面补空格，不是o 的在后面补零。 3 3 3n a s 数据文件的生成和导入 程序编写完成之后，将数据准备文件i n p 文件与程序放在同一文件夹下，运 行程序，按照程序窗口提示输入准备好的数据，直到程序运行完毕，关闭程序运 行窗口，在该文件夹下新生成的n a s 文件就是所要得到的数据文件。 打开a d i n a 软件，将转换好的有限元模型导入a d i n a 中后，须先为求解器 生成输入数据文件，a u i 显示一个l o g 窗口给出数据文件声称是的一些信息，如 最小带宽信息。如果模型定义中含有错误，a u i 将不生成输入数据文件，并将错 误信息写到l o g 窗口。然后再读入结果文件，对模型进行后处理。 一3 3 a d 附a 前处理程序的二次开发 通过求解与后处理可以检验出模型的转换是否有模型定义等错误，进一步验 证了转换程序的正确性。 3 3 4 网格失真检测 失真指的是一个物体、影像、声音、波形或其它资讯形式其原本形状或其他 特征的改变现象。失真往往是不必要的。 a b a q u s 有限元模型的输入文件，也就是i n p 文件，经过程序转换之后以 n a s 文件形式导入a d i n a 软件，在这一过程中，若模型的网格出现失真，导入 a d i n a 之后的模型就已经不完整了，尤其是复杂模型或海量网格模型