（材料加工工程专业论文）abaqus+gui二次开发技术在材料领域的研究与应用.pdf

硕士学位论文 摘要 a b a q u s 是目前国际上最为先进的通用非线性有限元分析软件之一。具有强 健的计算功能和广泛的模拟性能。可广泛应用于核工业、材料科学、铁道、石油 化工、航空航天、电子和土木工程等一般工业及科学研究。a b a q u s 自带的c a e 是进行有限元分析的前后处理模块，也是建模、分析和后处理的人机交互平台， 因此a b a q u s 在工程界有广泛的应用。 a b a q u s 使用了基于有限元法的参数化技术。通过a b a q u s c a e 所提供的 图形用户界面( g u i ) 与面向对象编程语言p y t h o n 相结合编程操作。可以实现海 量化建模，在模型复杂、划分网格操作繁琐的情况下可以自动化处理。在设计过 程中对某些特征参数变量赋予一定的工程意义或工艺意义，在操作过程中通过对 这些参数的改变，可以实现模型的参数化驱动，在重构模型并进行新一轮计算等 方面极大地提高工作效率。 虽然a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，但是由于功能庞大，而且对软件使 用人员的专业知识要求较高，所以该软件的学习周期较长，掌握起来难度较大。 工程师们一方面需要a b a q u s 强大的前后处理和分析研发能力，另一方面又渴望 着它能够界面友好，操作简单。 若能将a b a q u s 所提供的g u i 功能结合其主要功能的典型算法构造开放式 的用户界面，既可充分发挥a b a q u s 的强大的计算功能，又可避免记忆繁琐的命 令，用户在直观简洁的操作界面上，只需输入相关参数变量的数据，通过简单的 鼠标和键盘操作就可以完成复杂的计算，并可以得到可视化的计算结果，完成整 套分析解决方案。在此基础上还可以实现模型的参数化设计与驱动。 本文将在a b a q u sg u i 二次开发的基础之上，实现二维和三维多晶体材料微 结构的自定制用户程序的开发。利用开发的参数化g u i 用户平台，可以快速准确 实现海量晶粒的有限元模型，并完成对每个晶粒赋晶粒取向，边界条件与加载情 况等相关问题的计算分析，该方法和开发平台在工程设计中具有广阔的应用前景。 关键词：a b a q u s ；g ul ；二次开发；材料微结构；参数化设计 a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 a b s t r a c t a b a q u si so n eo ft h em o s t a d v a n c e dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei n t h ew h o l ew o r l d i tf o c u so nc a l c u l a t i n gw i t hw i d ef u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e s i m u l a t i o n i tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fn u c l e a ri n d u s t r y , m a t e r i a ls c i e n c e ， r a i l w a y , p e t r o c h e m i c a l ，a e r o s p a c e ，e l e c t r o n i ca n dg e n e r a li n d u s t r i a l a n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h a b a q u s c a ei s s e tf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp r e p r o c e s s i n ga n d p o s t - p o c c e s s i n ga sw e l la st h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o np l a t f o r mf o rm o d e l i n g ， a n a l y s i sa n dp o s t p r o c e s s i n g t h e r e f o r ea b a q u si s u s e di naw i d er a n g eo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s a b a q u su s e st h ep a r a m e t e rt e c h n o l o g yb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d d u r i n g t h ed e s i g np o r c e s s ，t h ed e s i g n e rc o u l dg i v eac e r t a i nm e a n i n go fe n g i n e e r i n go r m e c h a n i c a lp r o c e s s i n gf o rs o m es p e c i a lv a r i a b l ei nt h ep r o g r a m w h e nt h eu s e rc h a n g e s t h ev a r i a b l eo ft h ep r o g r a m , t h es o f t - w a r ec a nc o m p l e t et h em o d e l d r i v e nb yt h e p a r a m e t e rt e c h n o l o g y s ot h i sa p p r o a c hc o u l di m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo b v i o u s l y a l t h o u g ha b a q u sp r o v i d e sw i d e l yf u n c t i o nf o ru s e r s ，l e a r n i n gt ou s eo ft h e s o f t w a r er e q u i r e st h ep o r f e s s i o n a lk n o w l e d g e i tw i l ls p e n tl o t so f t i m et ol e a r nt ou s et h e s o f d v a r e o n eh a n d ，t h er e s e a r c h e rn e e dt h es t r o n gf u n c t i o n t h eo t h e rh a n d ，p e o p l ee x p e c t t h es o f t w a r ec o u l db eu s e r - 衔e n d l ya n ds i m p l eo p e r a t i o n i fw ec a nc o m b i n et h ew i d e l yf u n c t i o no fa b a q u sw i t ht h eg u i ( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ) f e a t u r e s ，w ec a ns t i l lu s et h ef u l ls t r o n ga b a q u sc a l c u l a t i o nf u n c i o n s ，t h e ni t i sa v o i d e dt or e m e m b e rl o t so fc u m b e r s o m ec o m m a n d t h r o u g ht h es i m p l eo p e r a t i o no f m o u s ea n dk e y b o a r d ，u s e r sj u s tn e e dt oi n p u ts o m es p e c i a lp a r a m e t e r ss ot h a tt h e yc o u l d c o m p l e t ec o m p l e x c a l c u l a t i o n s b a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ea b a q u sg u ic u s t o m i z e dd e v e l o p m e n t ，t h i st h e s i s w i l lc o m p l e t et h ei n s t a n c e so ft h et w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm i c r o s t r u c t u r eo fp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l ss i m u l a t i o n s o nt h ef o u n d a t i o no f t h ec u s t o m i z e d d e v e l o p m e n tg u ip l a t f o r m , u s e rc a na c h i e v em a s sg a i nf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，e a c h g r a i n so r i e n t a t i o n , b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dl o a d i n gc o n d i t i o n so f t h ew h o l ea n a l y s i s c i r c l e t h i sm e t h o d sa n dc u s t o m i z e dd e v e l o p m e n th a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si n t h ef i e l do fe n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：a b a q u s ；g u i ；c u s t o m i z e dd e v e l o p m e n t ；p a r a m e t i cd e s i g n ； m a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e 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：五、钥浆 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。 毛只? 口b 6 月t0 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1a b a q u s 在材料微结构中设计中的应用 1 1 1 计算机模拟在材料科学上的应用 现代高新技术的发展，对材料的性能要求越来越高， 由此对材料科学本身也 提出了更高的要求。对材料微观结构与宏观性能关系了解的日益深入， 人们将可 以从理论上预言具有特定结构与功能的材料体系，设计出符合要求的新型材料， 并通过先进工艺和技术制造出来。 在计算机技术迅速发展的今天，计算机模拟已经成为解决材料科学中实际问题 的重要组成部分。采用各种新颖算法的模拟技术，并结合运算功能强大的计算机， 人们能够做到前所未有的细致和精确程度对物质内部状况进行研究。采用模拟技 术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微观 性质及其宏观力学行为，并且在没有实际备制出这些新材料前就能预测它们的性 能， 为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导【1 ，2 1 。 材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活，并且在实 验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验 ，特别是在对微观状态与过程 的了解方面，模拟“实验”更有其独特性甚至有不可替代的作用。这导致计算机 模拟在材料科学中的应用越来越广泛，已经成为材料研究人员的一个强有力的工 具。 1 1 2 材料微结构力学响应计算的背景 “材料微结构计算学 以材料科学、力学、材料物理学与计算科学为主要依据， 以“数字材料 技术、“数值材料一技术与“虚拟现实 技术为手段，在材料微观 组织结构组成物的尺度上、从组成物角度，通过微结构组装，设计模型材料微结 构、预测材料性能、推演微结构失效行为、预报微结构形变演化并开发相关的计 算机软件，为材料“设计- n 备一预测”技术的一体化衔接与整合，建立理论基 础、提供科学方法、发展交叉学科，形成一个以“数字材料帝数值材料十技术一 体化”为特色的材料微结构计算学研究体系【3 】。 “微结构组装 特指在材料微观组织结构组成物的尺度上、以组成物为“积木 单元刀，通过异质体复合、模块搭建、人工操纵组成物与微结构剪裁技术构筑材料 微观组织结构。图1 1 演示了材料在微观、细观、宏观尺度上进行组装的概念。 在微观尺上，通过组合原子的排列结构从而达到改变材料本构性性能的目的；在宏 观尺度上，通过组合零件的组装结构从而达到改变工程部件的使用性能的目的；在 细观尺度上，通过组合微观组织结构组成物的结构从而达到改变材料的表现性能 的目的。显然，以微观组织结构组成物为研究对象，在组成物大小的尺度上，依 ：篁譬掣二：鳖：l ：1 2 ：翟 据“微结构组装”概念来研究材料行为是发展先进材料的科学途径之一。由于微 观组织结构内不同的组成物的尺度可能属于同一尺度，也可能属于不同的尺度 因此有可能存在着多尺度现象，所以从尺度上看，微结构组装具有跨尺度性。 分子原子鲺差微结构组装 结构组装 m o l e c u l a r a s s e m b l y m i c r o s l t u c t u r a l a s s e m b l ys t r u c t u r a l a s s e m b l y 图11 材料在不同尺度上进行组装的示意图 材料微结构计算学”更加关注材料微观组织结构，更加注重材料的局部行为研 究，其材料研究的尺度大致如图12 所界定的范围 4 】。 口由 1 0 6 1 0 3 止k 1o 。m - - - - - - - 一| t z ( r i m ) ( j l i l ) ( r a m ) 【m ) a t o r a l s t l c $m a t e r i a l ss c b n c e e n g i n 舳d n g h m m $ 1 m u l a 口i o n m m o n i c n m c n m o d e l m o p km d o _ m l ”n i r 。 。n c q l i l i s a t o “b o n d s “”一。“* 盛潞 l 器裟i 已墨墨w 一一一w 。m e r e * 。一 l 翻! i 】 口e 【 = 互互j 匕【e 蜀 d i s h d o n m o w m e mp f l t - a d d e l m 训j n a l l mm t 卅r t k m 黑! ：嘴鼎mv 。o 。i d f 。o 。“a 。t 。i o n 。a t l a 。d m i e 。m m o d l t y 。e m oc l 。d e 忠盎。d 1 裂器墨杆山r 喇 腑。帅咖c c i d 五需茹阻 i ：竺：= ! ：= ：竺! ：竺! 竺竺：i 图1 2 “材料微结构计算学”的尺度界定 对于一个已有的多晶体材料，可以制作该材料的金相试样，经由数字式光学显 微镜或扫描电镜采集试样微结构的几何信息与相结构信息，再依照“数一图”转 换与复制将数字化微结构的几何信息( 包括相结构) 转换为对应的、如由软件 硕士学位论文 p r o d e s i g n 生成的微结构，并以此微结构作为力学响应计算的基准微结构【5 】。 有限元法的飞速发展，为材料微观组织结构的有限元分析提供了强有力的支 持。对材料的微观组织结构进行有限元模拟，进而预测材料的宏观力学和物理性 能，在国外已经是一种常用的做法 6 】。国外学者从拓扑学与解析几何中总结、提 炼出通用的算法，将其应用到具有特殊几何结构与形貌的材料微观组织结构中， 构造出具有与材料组织、相结构等各种组成物十分近似的材料微结构，并通过选 定合适的尺度，使得微结构达到统计学意义上的平均性质，从而得到与实际真实 材料相近的性能指标。 复合材料微结构细观力学响应的数值计算建立在多元多相材料微观组织结构 的“代表性体积单元( r v e ) 技术上。微观组织结构的“代表性体积单元”定义 在材料的细观尺度上。“代表性体积单元 其体积尺寸是最小的，但体积单元内却 包含了足够多微观组织结构组成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相 场信息，并能在统计学意义上( 统计平均性质) 代表材料微观组织结构的基本特征。 由“代表性体积单元组成的材料称为统计均匀材料，统计均匀材料受到均匀边 界条件的作用，而介质内的场变量是统计均匀场【7 ，8 】。 解析式细观力学模型与有限元数值计算是计算微结构内细观力学响应的基本 手段。当材料微观组织结构比较复杂时，有限元数值计算将成为唯一的选择。为 此，必须合理地建立材料“代表性体积单元 、界面条件和边界条件，以便求解受 载下“代表性体积单元 中含有夹杂物的边值问题，从而建立起细观局部场与宏 观平均场量间的关系，最终获得材料“代表性体积单元 的宏观力学响应。有限 元模型与解析式模型相比，最大的优点是对于任意几何形状的增强相夹杂，可以 有效地考虑模型中夹杂物之间的相互作用，从而比较精确地分析它的局部应力场 以及它对整个材料的影响。 以有限元方法解读模型材料微观组织结构、预测材料性能响应、分析微结构失 效行为，必需对材料微观组织结构的“代表性体积单元 采用周期性边界条件。“代 表性体积单元 尺寸过小，则周期性边界条件无法设定，“代表性体积单元”尺寸 过大，则计算量太大。本研究采用计算各向同性化代表性体积的尺寸来代表模型 材料微观组织结构“代表性体积单元一尺寸。 在采用有限元方法计算材料微结构的局部细观力学与宏观细观力学响应时，依 据材料微观组织结构的几何信息与织构信息，在各个网格节点处，不仅引入微观 组织结构在当地的几何参数、取向参数，而且也引入当地的组织性能参数，因而 量化了当地材料组织结构对力学响应的影响【9 】。 1 1 3a b a q u s 环境下的材料微结构应用与计算 对材料微结构作虚拟失效分析经常会使用a b a q u s 等有限元软件，进行各种 数值模拟。然而在用有限元软件对多晶体微观组织结构进行数值模拟时经常会遇 a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 到一些困难：由于多晶体微观组织结构包含大量的晶粒，几何模型很复杂，对于前 处理功能比较差的a b a q u s c a eg u i 来说，用手工建立有限元几何模型几乎是 不可能的，即使勉强能建立少量的几何模型，也会花费很多的精力。 目前国内的a b a q u s 使用研究有较多工作侧重于使用a b a q u s 所提供的编 程接口语言p y t h o n 来进行前后处理的子程序开发 1 0 1 3 】。然而，单单使用p y t h o n 接口来进行子程序开发虽然具有高度的集成性和有效性；但是由于没有g u i ( 图形 用户界面) 的支撑，这些二次开发的功能都只能以s c r i p t ( 脚本) 的形式进行操作。一 方面初等使用者或非专业人员很难去操作这些脚本软件，而且如果试图想在此基 础上进行新的定义或者修改，则很难实现；另一方面，对于专业使用人员来讲， 如果要完全理解程序的内容，对程序的解读将花费大量的工作时间，并且对于一 些特定参数的修改，程序的修改也是非常的困难，并不能在较高的层次上体现 a b a q u s 基于有限元的参数化设计及驱动。 1 2a b a q u sg 二次开发的背景和意义 1 2 1 研究背景 a b a q u sc a e 使用了基于a b a q u sg u it o o l k i t 的易于用户理解的图形用户 界面g u i ( g r a p h i c f lu s e ri n t e r f a c e ) 。它为生成a b a q u s 模型、交互式地提交和监 控a b a q u s 作业以及评估a b a q u s 模拟的结果提供了一个风格简明、一致的操 作界面。同时，它也提供了接口可以供使用者从最基础的平台上开发自主性的g u i 界面，再配合后期开发的内核脚本，可以实现具有专业特色，针对性强，还可以 进行源代码保护的自定制整套应用程序( c u s t o m i z e da p p l i c a t i o n ) 。 本文作者所在课题组主要以“材料微结构计算学”为研究方向。“材料微结构 计算学 强调建立一个完整的数字化、数值化、虚拟化、可视化、系统化、软件 化之研究体系，综合运用了不同学科( 例如材料科学、细观力学、计算微结构力 学、计算断裂力学、计算物理学、材料物理学、计算几何学、统计学、体视学等) 的支撑性理论、不同领域的支撑性技术( 例如算法设计技术、数字材料技术、模 拟技术、数值计算技术、微观组织结构的表征技术、织构分析技术、网格生成技 术、跨尺度计算技术、软件工程技术、并行计算技术等) ，充分体现了跨领域、 多学科、多技术以及不同学科之间的不断整合、高度交叉与相互融合 1 4 ，1 5 。 课题组经过多年的沉积和发展，已经积累了一系列在材料微观组织结构的成 果。已设计出一系列的、用于计算机构筑复合材料微观组织结构的算法，这些算 法在长期的工作中也已经得到了验证，并已开发出相应的软件p r o d e s i g n ，用于异 质体材料微观组织结构及含裂纹微观结构的计算机可视化模拟与表征【1 6 】。 课题组也研发出了基于平面点集v o r o n o i 图的增量式外置算法 1 7 ，1 8 ，1 9 ，有 4 硕上学位论文 效实现了数十万v o r o n o i 晶胞集合体的构造，实现了二维以及三维v o r o n o i 晶胞 集合体内部结构的可视化 2 0 ，2 q 。以及利用已开发的材料微观组织结构仿真软件 p r o d e s i g n 构造出二维多晶体材料微结构模型，采用c 程序设计和p y t h o n 脚本 语言混合编程的方法，开发出用于材料微结构有限元网格划分与细观应力响应计 算的软件a u t o r v e ，有效地实现二维和三维复合材料微结构的细观应力响应计算 【2 2 ，2 3 。除此之外，还开发了一系列基于计算机的复合材料微结构模拟技术 2 4 2 6 】。 1 2 2 课题意义 虽然这些技术经过了应用的检验，具有充分的有效性和实用性。但是，大部分 基于a b a q u s 实现的材料微结构模拟和分析流程都以脚本程序执行。这大大限制 了技术的普及化与共享化。对于参数化实现有限元技术的应用，脚本程序并不能 很便捷的实现。如果能将现有的成果集成入自定制的g u i 界面中，这些程序的应 用性将大大的提高，另外，通过图形界面的应用和集成，还可以对源代码进行编 译，有效地的保护了编程者的源代码。a b a q u s 通过其提供的二次开发接口，一 方面可以针对专业性研究任务研发特定功能的p y t h o n 脚本程序；另一方面，通过 图形用户界面( g u i ) 的开发，将脚本程序集成入g u i 中，同时，a b a q u s 提供 了将脚本程序( p y 文件) 自动编译为字节码文件( p y c 文件) ，可以不需要用户 操作就自动编译保护源代码。 使用通过内核脚本程序和图形用户界面脚本程序相结合编程设计自定制整套 应用程序( c u s t o m i z e da p p l i c a t i o n ) ，本文实现了二维和三维多晶体材料微结构的参 数化设计及独立的图形用户界面平台。在分析包含大量晶粒、几何模型很复杂的 多晶体材料微结构的力学响应时，解决了繁琐重复的建模问题，实现了材料微结 构r v e 的几何模型和有限元计算网格的自动化建模。并实现了在自主开发的界面 之下快捷方便地对分析过程中的参数变量进行操作控制，对模型实现参数化驱动 与智能化进行多分析工作自动完成等后处理功能。 1 3 本论文研究的目的和内容 本文从内核脚本和图形交互界面脚本两方面的源代码开发进行探索和研究。分- 别对a b a q u s 所提供的不同二次开发接口进行分析，以三维多晶体材料微结构的 细观力学模型构建与有限元数值计算为基础，采用参数化有限元方法，开发具有 本专业特色的使操作更人性化，减轻使用者的认知负担，使其更适合用户的操作 需求的用户界面平台。 论文涉及以下主要研究内容： 参数化有限元建模的方法和原理 ( 垂) a b a q u s 内核脚本的开发与设计 5 a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 a b a q u sg u i 的二次开发并与内核之间的交互机制 利用内核脚本与g u i 脚本结合编程实现独立图形用户界面平台上的参数化 三维多晶体材料微结构设计。并完成相应的有限元数值计算分析流程。在此基础 上实现批量自动化参数驱动的实例研究。 本文以材料微结构作为课题的切入点和研究重点。但是对于a b a q u s 内核脚 本的研发和g u i 二次开发等技术的研究是具有通用性的。可以在此基础上实现各 专业性质的独立用户界面开发与参数化设计。将a b a q u s 所提供的g u i 功能结 合其主要功能的典型算法构造开放式的用户界面，既可充分发挥a b a q u s 的强大 的计算功能，又可避免记忆繁琐的命令，用户在直观简洁的操作界面上，只需输 入相关数据，通过简单的鼠标和键盘操作就可以完成复杂的计算，可以得到可视 化的计算结果，完成整套分析解决方案，并更高层次的实现有限元法的参数化设 计方法。不仅降低了有限元分析应用的入行门槛，降低了用户的认知难度；而且 极大的扩充了软件的前后处理程序的开发与连接，极大的丰富了工程与研究等各 方面的应用。 6 硕 二学位论文 第2 章a b a q u s 参数化设计与二次开发背景 2 1a b a q u s 软件简介 2 1 1 计算机模拟软件a b a q u s 介绍 有限元分析是计算机模拟辅助设计的基本组成部分。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【2 7 】。a b a q u s 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。 并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、 橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和 岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，a b a q u s 除了能解决大量结构( 应力 位移) 问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热 电耦合分析、声学分析、岩土力学分析( 流体渗透应力耦合分析) 及压电介质分 析。 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问 题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的 模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结 构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调 节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很 好的控制数值计算结果。 a b a q u s 由两个主要的分析模块组成：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 。 a b a q u s s t a n d a r d 是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线 性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。 a b a q u s e x p l i c i t 是用于特殊目的分析模块，它采用显式动力有限元列式，适 用于像冲击和爆炸这类短暂，瞬时的动态事件，对加工成形过程中改变接触条件 的这类高度非线性问题也非常有效。 而a b a q u s c a e ( c o m p l e t ea b a q u se n v i r o n m e m ) 是a b a q u s 的交互式图 形环境，用它可方便而快捷地构造模型，只需生成或输入要分析结构的几何形状， 并把它分解为便于网格化的若干区域。并对几何体赋于物理和材料特性、荷载以 及边界条件。 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，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的 7 a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 分析和研究。a b a q u s 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无 二的。由于a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得a b a q u s 被 各国的工业和研究中所广泛的采用。a b a q u s 产品在大量的高科技产品研究中都 发挥着巨大的作用。 2 1 2a b a q u s c a e 简介 a b a q u s c a e 是完整的a b a q u s 运行环境( c o m p l e t ea b a q u se n v i r o n m e n t ) ， 它为生成a b a q u s 模型、交互式地提交合监控a b a q u s 作业以及评估a b a q u s 模拟的结果提供了一个风格简明、一致的界面 2 s ，2 9 。a b a q u s c a e 分为若干个 功能模块，每一个模块定义了模拟过程的一个逻辑方面；例如，定义几何形状、 定义材料性质和生成网格等。通过完成一个功能模块进入下一个模块，逐步地建 立计算模型。建模完成后，a b a q u s c a e 生成一个可提交给a b a q u s 分析工具 的输入文件。a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i e i t 读入由a b a q u s c a e 生成 的输入文件，进行分析计算，将计算过程的信息发送回a b a q u s c a e ，以便用户 对作业的进程进行监控，并生成输出数据库。最后，用户可使用a b a q u s c a e 的可视化模块读入输出数据库，观察分析结果。用户在使用a b a q u s c a e 的同时 会产生一个包含a b a q u s c a e 命令的执行文件( r e p l a yf i l e ) ，它记录了用户建模 时的每个操作过程，见图2 1 。 f i 玎处理 a b a q u s ，c a e 或j e 他软件 输入文件：j o b i n p 模拟计锋 a b a q u s s t a n d a r d 或 a b a q u s e x o l i c i t 输；l 文件： j o b o d b j o b d a t 。 一j o b r e s j o b 俐一 后处珲 a b a q u s ，c a e 或其他软件 图2 1 完整的a b a q u s 分析过程中的文件联系 一个完整的a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i e i t 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。这三个步骤之间通过文件建立的联 系如图所示。 8 硕士学位论文 ( 1 ) 前处理( a b a q u s c a e ) 在前处理阶段需要定义物理问题的模型，并声称一个a b a q u s 输入文件。尽 管一个简单分析可以直接用文本编辑器生成a b a q u s 输入文件，但通常的做法是 使用a b a q u s c a e 或其他前处理程序，以图形方式生成模型。 ( 2 ) 模拟计算( a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i e i t ) 模拟计算阶段使用a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i c i t 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。以应力分析的输出为例，包括位移和 应力等的输出数据保存在二进制的文件中以便于后处理。完成一个求解过程所需 的时间可以从几秒到几天不等，这取决于所分析问题的复杂程度和所使用计算机 的运算能力。 ( 3 ) 后处理( a b a q u s c a e ) 一旦完成了模拟计算并得到了位移、应力或其他基本变量后，就可以对计算结 果进行评估。评估通常可以通过a b a q u s c a e 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。可视化模块可以将读入的二进制输出数据库中的数据结 果以多种方式显示出来，包括彩色等值线图、动画、变形图和x y 曲线图等。 9 a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 圈煞翻团 一幽u 图2 2a b a q u s 二次开发接口命令( s c r i p t i n gi n t e r f a c ec o m m a n d s ) 和a b a q u s c a e 图2 2 描述了a b a q u s 所提供的脚本接1 2 的命令与a b a q u s c a e 内核是如 何交互运作的。 a b a q u s c a e 划分为一系列的功能单元即功能模块，每一个模块只包含与模 拟作业的某一指定部分相关的一些工具。例如，m e s h ( 网格) 模块只包含生成有 限元网格的工具，而j o b ( 作业) 模块只包含建模、编辑、提交和监控分析作业的 工具。用户可以从c a e 图形用户环境中的环境栏( mc o n t e x tb a r ) 中的m o d u l e ( 模块) 列表中选择各个模块，见图e 。列表中的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。在许多情况下，用户必须遵循这个自然次序来完成模 拟作业。一个完整的模型包含a b a q u s 启动分析所需的全部信息。a b a q u s c a e 采用模型数据库来存储模型。下面列出a b a q u s c a e 的各个模块并简要描述每一 模块可能进行的模拟任务。所列出的模块次序与环境栏中m o d u l e 列表中的顺序一 1 0 硕士学位论文 致( 见图2 3 ) 。 f r o p e r t y a s s e m b l y s t e p i a t e r t c t io n l e a 4 m e s h 3 0 h v i s u l i z t t i o n s k e t c h 图2 3a b a q u s c a e 中的选择模块下拉歹u 表 ( 1 ) 部件( p a r t ) 、 p a r t ( 部件) 模块用于创建各个单独的部件，用户可以在a b a q u s c a e 环境 下用图形工具直接生成，也可以从其他的图形软件导入部件的几何形状。 ( 2 ) 特性( p r o p e r t y ) 截面( s e c t i o n ) 定义包括了整个部件或部件中某一部分特性的信息，例如与该 部分相关的材料定义和横截面几何形状。在特性模块中，用户可以定义截面和材 料，并将它们赋予部件的某一部分。 ( 3 ) 装配( a s s e m b l y ) 当创建一个部件时，它存在于自己的坐标系中，独立于模型的其他部分。用户 可应用a s s e m b l y ( 装配) 模块创建部件的实体( i n s t a n c e ) ，并且将这些实体按照 相对于其他部件实体的位置定为在总体坐标系统中，这样就构成了装配件。一个 a b a q u s 模型只能包含一个装配件。 ( 4 ) 分析步( s t e p ) 用户应用s t e p ( 分析步) 模块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) 提供了方便的途 径；根据需要，在分析步之间可以改变输出变量。 ( 5 ) 相互作用( i n t e r a c t i o n ) 在i n t e r a c t i o n ( 相互作用) 模块中，用户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，一个相互作用的例子是在 两个表面之间的接触。其他可以定义的相互作用包括各种约束，诸如绑定( t i e ) 、 方程( e q u a t i o n ) 和刚体( r i g i db o d y ) 约束。在一个装配件中，仅指定在表面之间 任何类型的相互作用，对于描述两个表面的实际接近程度是不够的；除非在相互 作用模块中指定接触，否则a b a q u s c a e 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。相互作用与分析步相关联，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。 ( 6 ) 载荷( l o a d ) a b a q u sg u i 二次开发技术在材料领域的研究与应用 在l o a d ( 载荷) 模块中指定载荷、边界条件和场变量。载荷和边界条件与分 析步相关联，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 些场变量也与分析步相关联，而其他的场变量仅仅作用于分析的开始阶段。 ( 7 ) 网格( m e s h ) m e s h ( 网格) 模块包含了a b a q u s c a e 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分析需 要的网格。 ( 8 ) 作业( j o b ) 一旦完成了所有定义模型的任务，用户便可以用j o b ( 作业) 模块分析计算模 型了。作业模块允许用户交互地提交分析作业并监控其计算过程。多个模型和运 算可以同时被提交并进行监控。 ( 9 ) 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) v i s u a l i z a t i o n ( 可视化) 模块提供了有限元模型和分析结果的图形显示。它从 输出数据库中获得模型和结果信息；通过s t e p 模块修改输出需求，用户可以控制 写入输出数据库中的信息。 ( 1 0 ) 草图( s k e t c h ) 草图( s k e t c h ) 是二维轮廓图形，用来帮助形成几何形状，定义a b a q u s c a e 可识别的部件。应用草图模块创建的草图，可以定义一个平面部件、梁或者剖面， 也可以通过这个草图拉伸、扫掠或者旋转等方式定义一个三维不见。 、在功能模块之间切换时，主窗口的环境栏、工具箱和菜单栏的内容也会相应地 的发生改变。从环境栏的m o d u l e 列表中选择一个模块，将引起环境栏、工具箱和 菜单栏的变化以反映当前模块的功能。 2 2a b a q u s 中的有限元参数化设计 2 2 1 有限元法简介 有限元法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，但是，直到1 9 6 0 年， 美国的克拉夫在一篇文章中首次使用“有限元法 这个名词。2 0 世纪6 0 年代末至 7 0 年代初，有限元法在理论上已基本成熟，并开始陆续出现商业化的有限元分析 软件。 有限元法的出现与发展有着深刻的上程背景。2 0 世纪4 0 5 0 年代，美、英等国 的飞机制造业有了大幅度的发展。随着飞机结构的逐渐变化，准确了解飞机的静 态特性和动态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方法已经不能满足设计 的需要，因此上程设计人员便开始寻找一种更加适合分析的方法，于是出现了有 限单元法的思想。如今该方法已经在航空、航天、造船、建筑等方面得到了广泛 的应用；在机械、化上、海洋、水利、核能、地质、生物等方面的应用也在发展中。 1 2 硕士学位论文 量兽曼曼曼皇量毫量量皇鲁量璺曹量曼| 置鲁m = mm ：m ：m ： m m 皇曼皇鼍曼皇量曼鼍量鼍曼曼量曼皇曼量量曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼量量曼曼一 从力学领域来说，有限元法除了用来求解一般的线性静力学问题外，在求解动力、 非线性和各种场问题等方面也有了一定发展。 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每个单元中设 定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定 场函数的节点值作为基本未知量，并在每个单元中假设一近似插值函数以表示单 元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些