ABAQUS笔记.docx

红色代表翻译有问题24.1.1 Element library: overview 单元库:概述Characterizing elements 单元的特征Five aspects of an element characterize its behavior: Family 单元族 Degrees of freedom (directly related to the element family)自由度 Number of nodes节点数 Formulation数学公式 Integration积分在Abaqus中每个单元都有自己特有的名字,例如: T2D2, S4R, C3D8I和C3D8R.这些名字中间反映了单元的五个特征.FamilyContinuum element 实体单元 rigid element 刚体单元Membrane element 薄膜单元Degrees of freedom在分析中自由度是数值计算的基础。对于应力和位移的模拟,自由度是壳,管,和梁单元每个节点的旋转的限度。对于传热模拟自由度是在每个节点的温度; 对于一个耦合热应力温度分析自由度存在于每个节点除了位移。传热分析和耦合热应力分析当自由度不一样时，需要使用不同的元素来做应力分析。Number of nodes and order of interpolation（节点数目和差值阶数） 在单元的节点处计算自由度和位移。单元的其他位移计算通过节点位移的插值。通常插值阶数是单元的节点数目决定的。l 线性单元：单元通常在角上有节点，例如8节点立体单元，通常在每个方向使用线性插值，叫做线性单元或者一阶单元。l 二次单元：在ABAQS中单元的每边有中节点，例如20节点立体单元，采用二次插值，通常叫做二阶单元或二次单元。l 修正的二次单元：修正的三角形或四面体每条边有中节点，例如10节点四面体，采用修正二次插值，通常叫做修正二次单元。通常情况下，单元的名称已经定义了节点数目。8节点立体单元叫做C3D8，4节点壳单元叫做S4R。梁单元库有一个稍微不同的约定:在梁单元名称中就定义了梁的插值阶数。一阶三维梁单元叫做B31，二阶三维梁单元叫做B32。与轴对称单元和薄膜单元有一些相同的约定。Formulation（单元的数学公式） 单元的数学公式是指用于描述单元性能的数学理论。利用拉格朗日公式描述材料单元的变形。在欧拉坐标系中材料会赋予到每个单元。在模拟流体力学通常用欧拉方法。在Abaqus/Standard（通用分析模块）中利用欧拉单元模拟对流热传递。Abaqus/Explicit（显式动态分析）提供了复合欧拉单元用于分析应力和位移。在Abaqus/Explicit中自适应网格结合了拉格朗日和欧拉的分析特性并且允许运动的单元是独立于材料的.所有应力和位移计算都是基于拉格朗日公式. 在Abaqus/Explicit（显式动态分析）欧拉单元和拉格朗日单元可以一起用于定义接触问题.在Abaqus中一些单元族拥有几种不同的计算公式,来适应不同形式的力学性能.例如:常见的壳单元有3种不同的计算公式,一种是用于通用壳分析,一种是用于薄壳,另一种用于厚壳分析.另外,Abaqus提供了实体壳单元,与实体单元一样有节点连接性(通过节点与物体其他部分相连),但是在模拟壳单元的力学单元时尽可能的让壳单元的厚度为一个单元的厚度.Abaqus中的一些单元族拥有一些标准公式以及一些替代公式.单元具有可供选择的数学公式,在其单元名字末尾处附加字母来识别.例如:实体、梁和杆件单元包括了杂交元列式(用于处理不可压缩和不可伸缩行为);杂交单元由其名字末尾的“H”字母来标识(C3D8H or B31H).Abaqus/Standard对低阶单元用集中质量公式; Abaqus/Explicit对所有单元用集中质量公式.因此,第二质量惯性矩偏离了其理论价值,尤其对粗网格来说.Abaqus/CFD(流体分析)对于不可压缩流体采用杂交元来规避一个众所周知的div-stability问题. Abaqus/CFD基于在程序设置方面允许额外的自由度,例如:可选能量方程和湍流模型.IntegrationAbaqus对每个单元的体积利用数值技术来积分求得各种数据,因此允许完全一般的材料行为.对于大部分单元,Abaqus采用高斯积分计算单元内每一个高斯点处的响应.在Abaqus中一些实体单元可以用完全积分和缩减积分,对于特定的问题,选择完全积分方法和缩减积分方法将决定问题分析的精度和可靠度.Abaqus在单元名字末尾用字母“R”来识别缩减积分单元.例如:CAX4R是4节点、缩减积分、轴对称、实体单元.在一般的截面属性定义壳、管、梁的特性;每个横截面单元可以数值积分,因此当需要时非线性响应与非线性材料之间的关系可以被准确的追踪.另外,在Abaqus/Standard中壳的复合层截面和三维实体每层不同材料的界面可以被定义.Combining elements 组合单元单元库旨在对所有几何模型提供强大的建模能力.因此,任何组合单元都可以组成模型;有时多点约束在建立模型中必要的运动关系是非常理想的.(例如:在壳单元表面用实体单元, 加筋肋使用壳单元或者使用梁单元.)Heat transfer and thermal-stress analysis(热传递和热应力分析)Abaqus/Standard提供了相应的热传递和应力单元,一般情况下热传递分析和热应力分析是相随的.Information available for element libraries(单元库提供的有效信息)在ABAQUS中一个完整的单元库被分成数个小型的单元库.在这个手册中每个单元库都作为独立的一部分,在每个部分都提供了如下信息. conventions;约定 element types;单元类型 degrees of freedom;自由度 nodal coordinates required; element property definition;单元性质定义 element faces;单元面数 element output;单元输出 loading (general loading普通荷载, distributed loads均布荷载, foundations地基, distributed heat fluxes, film conditions薄膜, radiation types辐射类型, distributed flows, distributed impedances, electrical fluxes, distributed electric current densities, and distributed concentration fluxes); nodes associated with the element;节点和单元的联系 node ordering and face ordering on elements; and在单元上的节点排序和面排序 numbering of integration points for output.对输出的积分点编号一些单元在Abaqus/Standard and Abaqus/Explicit都是可用的,个别用(S) 标识的单元只能在Abaqus/Standard中使用;同样, 个别用(E) 标识的单元只能在Abaqus/Explicit中使用.用(A) 标识的单元和荷载只能在in Abaqus/Aqua可用.对于单元分析大部分输出变量是可用的,额外的输出变量的有用性根据材料模型和过程分析来决定.一些单元有计算变量但不适用与其他同类型的单元,这些变量都是显示制定的.24.1.2 Choosing the elements dimensionality(选择单元的维数)Products: Abaqus/Standard Abaqus/Explicit Abaqus/CFD Abaqus/CAE References(参考文件) “Element library: overview,” Section 24.1.1 “Part modeling space,” Section 11.4.1 of the Abaqus/CAE Users Manual “Assigning Abaqus element types,” Section 17.5 of the Abaqus/CAE Users ManualOverviewABAQUS单元库包括以下广泛的维度单元. one-dimensional elements;一维单元 two-dimensional elements;二维单元 three-dimensional elements;三维单元 cylindrical elements;圆柱形单元 axisymmetric elements; and轴对称单元 axisymmetric elements with nonlinear, asymmetric deformation.非线性,非对称变形轴对称单元One-dimensional (link) elements一维(链接)单元一维传热单元、耦合热/电单元和acoustic elements只能在Abaqus/Standard中可用。另外，链接结构（杆单元）在Abaqus/Standard and Abaqus/Explicit都可用。这些单元可以用于三维或者二维单元to transmit loads or fluxes along the length of the element.Two-dimensional elements二维单元 Abaqus提供了几种不同类型的二维单元。对于结构应用包括plane stress elements（平面应力单元）和plane strain elements（平面应变单元）。Abaqus/Standard对于结构应用也提供了广义平面应变单元。Plane stress elements(平面应力单元)当构件的厚度相对于其横向尺寸很小时可以使用平面应力单元。平面应力只是关于平面坐标的函数，平面外的应力和剪应力都为0.平面应力单元必须定义在XY平面，并且所有的变形和荷载都受这个平面的限制。这种建模方法用于薄、扁平构件。对于各向异性材料，Z轴方向必须是均质的。注:有很薄的等厚薄板,只在板边上受有平行与板面并且不沿厚度变化的面力或约束.同时,体力也平行于板面并且不沿厚度变化.应力张量为: Plane strain elementsPlane strain elements can be used when it can be assumed that the strains in a loaded body or domain are functions of planar coordinates alone and the out-of-plane normal and shear strains are equal to zero.当应变只发生在荷载作用的截面或者函数的定义域只是关于二维平面,不随第三个坐标改变而改变,剪切应变等于0,这种可以采用平面应变单元.平面应变单元必须定义在XY平面上,所有的荷载和变形都作用在这个平面上.这种建模方法通常用于,它自身非常厚远超于其横向尺寸,例如, shafts, 混凝土坝,墙体.平面应变理论同样可以运用于底下隧道,其方向沿Z轴。对于各向异性材料，沿Z方向必须是材料的主方向。（就是沿Z轴方向的材料是同性的）因为，平面应变理论假设在厚度方向是0应变，则同性各向热传递可能在厚度方向产生大应力。注:设有很长的柱形体,它的横截面不沿长度变化,在柱面上受有平行于横截面而且不沿长度变化的面力或约束,同时,体力也平行于横截面而且不沿长度变化. 应力张量为: Generalized plane strain elements(广义平面应力单元)Generalized plane strain elements provide for the modeling of cases in Abaqus/Standard where the structure has constant curvature (and, hence, no gradients of solution variables) with respect to one material directionthe “axial” direction of the model.在Abaqus/Standard建模过程中遇到某种结构具有常曲率（因此，没有梯度的计算变量）并且有一个材料方向模型中的轴方向，广义平面应变单元提供了在这种模型中建模的单元。 The formulation, thus, involves a model that lies between two planes that can move with respect to each other and, hence, cause strain in the axial direction of the model that varies linearly with respect to position in the planes, the variation being due to the change in curvature. In the initial configuration the bounding planes can be parallel or at an angle to each other, the latter case allowing the modeling of initial curvature of the model in the axial direction.在初始配置下，边界平面可以是平行的或者相互形成一个角度，后一种情况允许模型的初始曲率在轴线方向。 The concept is illustrated in Figure 24.1.21. Generalized plane strain elements are typically used to model a section of a long structure that is free to expand axially or is subjected to axial loading.这个概念如图24.1.21。广义平面应变单元典型的用在长结构模型的界面，这种构件在轴线是无限的或者受轴向荷载。Bounding planes 边界平面 conventional element node 常规的单元reference node 参照点length line through the thickness at（x，y）iswhere quantities are defined in the textEach generalized plane strain element has three, four, six, or eight conventional nodes, at each of which x- and y-coordinates, displacements, etc. are stored. These nodes determine the position and motion of the element in the two bounding planes. Each element also has a reference node, which is usually the same node for all of the generalized plane strain elements in the model. The reference node of a generalized plane strain element should not be used as a conventional node in any element in the model. The reference node has three degrees of freedom 3, 4, and 5: (, , and ). The first degree of freedom () is the change in length of the axial material fiber connecting this node and its image in the other bounding plane. This displacement is positive as the planes move apart; therefore, there is a tensile strain in the axial fiber. The second and third degrees of freedom (, ) are the components of the relative rotation of one bounding plane with respect to the other. The values stored are the two components of rotation about the X- and Y-axes in the bounding planes (that is, in the cross-section of the model). Positive rotation about the X-axis causes increasing axial strain with respect to the y-coordinate in the cross-section; positive rotation about the Y-axis causes decreasing axial strain with respect to the x-coordinate in the cross-section. The x- and y-coordinates of a generalized plane strain element reference node ( and discussed below) remain fixed throughout all steps of an analysis. From the degrees of freedom of the reference node, the length of the axial material fiber passing through the point with current coordinates (x, y) in a bounding plane is defined as where t is the current length of the fiber,is the initial length of the fiber passing through the reference node (given as part of the element section definition),is the displacement at the reference node (stored as degree of freedom 3 at the reference node),and are the total values of the components of the angle between the bounding planes (the original values of , are given as part of the element section definitionsee “Defining the elements section properties” in “Solid (continuum) elements,” Section 25.1.1: the changes in these values are the degrees of freedom 4 and 5 of the reference node), andand are the coordinates of the reference node in a bounding plane. The strain in the axial direction is defined immediately from this axial fiber length. The strain components in the cross-section of the model are computed from the displacements of the regular nodes of the elements in the usual way. Since the solution is assumed to be independent of the axial position, there are no transverse shear strains.Three-dimensional elements(三维单元) Three-dimensional elements are defined in the global X, Y, Z space. These elements are used when the geometry and/or the applied loading are too complex for any other element type with fewer spatial dimensions. 三维单元在三维空间中定义.当几何或者荷载对于更少维数的单元复杂时,建议使用三维单元.Cylindrical elements(柱体单元) Cylindrical elements are three-dimensional elements defined in the global X, Y, Z space. These elements are used to model bodies with circular or axisymmetric geometry subjected to general, nonaxisymmetric loading. Cylindrical elements are available only in Abaqus/Standard. 柱体单元是一种三维单元.用于圆形和几何对称模型,可以用于受一般的或非轴对称荷载.柱体单元只能用于Abaqus/Standard.Axisymmetric elements(轴对称单元) Axisymmetric elements provide for the modeling of bodies of revolution under axially symmetric loading conditions. A body of revolution is generated by revolving a plane cross-section about an axis (the symmetry axis) and is readily described in cylindrical polar coordinates r, z, and . Figure 24.1.22 shows a typical reference cross-section at . The radial and axial coordinates of a point on this cross-section are denoted by r and z, respectively. At , the radial and axial coordinates coincide with the global Cartesian X- and Y-coordinates. 轴对称单元用于轴对称荷载加载于旋转体.一个平面截面绕对称轴旋转生成旋转体.在柱坐标中用r,z,可以很简单的描述旋转体. Figure 24.1.22中处展示了一个典型的参考截面.在这个截面上的轴向和径向分别用z,r表示.在处轴向坐标和径向坐标与XY笛卡尔坐标一样. Sunday, April 27, 2014两种算法：通用接触算法，接触对算法定义接触特性（an interaction property）hard contactChoose which is the slave surface or the master surface？面积大的作为master surface面积一样，刚度大的作为master surface面积和刚度一样，网格粗糙的作为master surfaceFinite sliding allows any arbitrary motion of the surfacesSmall sliding 两个接触面之间只有很小的相对滑动，滑动量的大小只是单元尺寸的一小部分。例题用的是finite sliding，node to surfaceMonday, April 28, 2014一部分土体产生不均匀位移或变形，而其余部分不动。土拱是客观存在的，土体中沿大主应力方向的迹线就是土拱轴线。颗粒流理论引入土拱微观特性研究在ABAQUS中，一般是把X轴当做1轴，Y轴当做2轴，Z轴当做3轴；那么：S11就是X轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力;S22就是Y轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力;S33就是Z轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力;S12就是在YZ平面上，沿Y向的剪力;S13就是在YZ平面上，沿Z向的剪力;S23就是在XZ平面上，沿Z向的剪力;由于剪力的对称性：S12=S21， S13=S31， S23=S32Mises应力是即第四强度理论，根据能量守恒原理，用于判断材料是否屈服的应力准则，即Mises准则，一般使用于判断延性比较好的材料，对于脆性材料，一般采用第一强度理论星期日, 二月 16, 2020土拱效应的数值模拟研究 曹胜涛 在土拱效应中摩擦角、粘聚力谁占主导作用？土拱效应广泛存在于岩土工程中，其实质是一种应力转移的现象，这种应力的转移是由于土体剪切强度的发挥实现的。无粘性土体参数选择修正的二阶三角形单元星期日, 二月 16, 2020金属材料的屈服条件：Tresca屈服准则 当剪应力最大值达到某个值时材料发生屈服，屈服空间为等边六棱柱。fij=121-2-k1=0Mises 屈服准则 当偏应力的第二不变量达到某个极限值时材料发生屈服，屈服空间为圆柱。岩土材料屈服条件：2） M-C准则广义非线性屈服条件Material线弹性模型：1.各向同性（isotropic） 指定弹性模量E，泊松比2.正交各向异性（engineering constants） 3个正交方向的杨氏模量，3个泊松比，3个剪切模量。Question 1：土拱拱脚到底在哪个地方？先阅读郑学鑫的论文。Sunday, May 04, 20141. 郑学鑫：胡敏云在分析护壁桩桩间土拱效应时,提出桩间土体可以形成类似于结构拱的大主应力拱,指出拱的形状可以用圆形来近似模拟,并用Mohr圆分析了边界处的土压力。2.3. 朱碧堂也在总结前人理论和联系实际工程的基础上,提出了大主应力拱理论,并把土拱简化成拱形梁,进而由桩土之间静力平衡条件进行桩土之间的受力分析,并把此种方法称做拱形梁法。4. 土体的c和值越大，土拱效应越明显。桩土之间的界面越粗糙,土拱效应越明显。5. 存在临界桩间距,一旦抗滑桩设置的桩间距大于临界桩间距,桩间就不会产生土拱效应。6. 平面应变分析：平面应变是把地表下一定深度的单位厚度土层作为分析对象,并假定:该单位厚度土层的位移限定在水平方向;假定桩体水平位移为零,即桩体在平向被约束。7. 当桩间距为38倍桩径时,桩间土拱效应才会存在。随着桩间距加大,桩的荷载分担比越来越小；8. 土体内摩擦角和粘聚力越大,土拱效应越明显,桩的荷载分担比呈增长趋势,当土体粘聚力较小时,这种规律更为明显。9. 无论是砂性土还是粘性土,桩的界面越粗糙,土拱效应越明显；10. 粘性土与无粘性土的成拱机理不同？Monday, May 05, 20141. Mohr-coulomb模型的实用条件？粘性土？非粘性土？2. 对于粘性土体采用服从Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性本构模型；无粘性土采用服从广义Drucker-Prager理想弹塑性本构模型；Tuesday, May 06, 2014Wednesday, May 07, 2014土体弹性模量E取100E3kpa；压缩模量Es；变形模量E0；Thursday, May 08, 2014Thursday, May 15, 20141.1 The Abaqus productsAbaqus/Standard, Abaqus/Explicit, and Abaqus/CFDAbaqus/StandardAbaqus/Standard是一个通用分析产品可以解决广泛的线性分析和非线性分析包括静力、动力、热力、电力分析组件。Abaqus/Standard在每个增量中解一个隐式方程组。相反，Abaqus/Explicit通过很小的时间增量来求解问题，不用再每个增量中求解耦合方程。（甚至形成总体刚度矩阵）Abaqus/ExplicitAbaqus/Explicit是一个特殊分析模块，它采用显式动力有限元列式。它适用于瞬态动力事件，例如：冲击和爆炸问题。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。Abaqus/CFDAbaqus/CFD是一个动态流体分析模块，它可以解决广泛的不可压缩的流体问题，包括层流、紊流、热对流和变形网格问题。Abaqus/CAEAbaqus/CAE (Complete Abaqus Environment)是一个交互式图形环境。它允许简单快速的导入和导出用来分析的几何结构，把几何图形划分网格。把物理和材料特性、荷载、边界条件赋予给几何模型。Abaqus/CAE包含强大划分网格选项和核实分析结果。一旦建模完成，Abaqus/CAE可以提交、监控、控制分析工作。可视化模块用来解释分析结果。Abaqus/ViewerAbaqus/Viewer是 Abaqus/CAE的一个子部分，只包括可视化后处理模块。Friday, May 16, 2014Abaqus/AquaAbaqus/Design是Abaqus/Standard的一个可选功能Translator utilities abaqus fromansys 把anasys输入文件转换为abaqus的输入文件1.2 Getting started with Abaqus这段文字教新学者如何用Abaqus/CAE创建固体、壳、梁、桁架模型，用Abaqus/Standard and Abaqus/Explicit分析这些模型，然后在可视化模块中查看结果。1.2.1How to use this guide这本手册的不同部分是写给不同类型的用户的。1.2.2Conventions used in this guide1.3Abaqus documentationAbaqus Analysis Users Manual完整的描述了单元、材料模型、步骤、输入规范等，基础性手册。Abaqus/CAE Users Manual这个手册详细的描述了模型的建立、分析、结果查看、可视化。Abaqus Theory Manual这个手册详细精确的讨论有限元计算理论。Abaqus Example Problems Manual这个手册列举了许多线性和非线性的分析。包含一些经典的例子，当你需要运用某些功能时，最好找例子熟悉这种功能。Abaqus Benchmarks Manual包括了用来测试abaqus分析能力的基准问题和分析，测试是多元化的，用简单的几何图形或者简化实际问题。Abaqus Verification Manual包括了基础测试案例，例如材料验证，单元验证。1.6A quick review of the finite element method任何有限元分析的第一步就是利用一组有限单元把实际的几何结构离散化。每个有限单元代表离散物理结构的一部分。有限单元通过节点联系在一起。一组节点和有限单元称为网格。在应力分析中节点的位移是abaqus分析中的基本变量。一旦节点的位移知道，每个有限单元的应力和应变就知道。1.6.1Obtaining nodal displacements using implicit methods通过隐式方法获得节点位移 一个简单的桁架，一端固定，一端加荷载。分析的目的是找到自由端的位移、桁架的应力、约束端的支反力。用两个桁架单元建模，在abaqus中桁架单元只能承受轴向力。离散模型由节点和单元组成。每个节点受外力和内力，节点力平衡。假设杆的伸长量很小，单元1的应变为11=ub-uaL,ua,ub是a,b点的位移。Saturday, May 17, 2014隐式有限元方法需要在每个增量结束时解一组方程（用在Abaqus/Standard）。显式有限元方法（Abaqus/Explicit）不需要解联立方程组也不需要建立整体刚度矩阵。通过动态的增量来解决，由一个增量到另一个增量。1.6.2Stress wave propagation illustrated2.Abaqus Basics前处理、模拟分析、后处理Preprocessing (Abaqus/CAE)利用abaqus前处理器创建inp文件Simulation (Abaqus/Standard or Abaqus/Explicit)后台运行解决Postprocessing (Abaqus/CAE)可以输出云图、变形图、动画、X-Y、2.1 Components of an Abaqus analysis model离散化几何体、单元界面属性、材料属性、荷载和边界条件、分析类型、输出要求Discretized geometry离散就是划分网格的作用，离散后的单元靠节点的共享来联系。网格质量越高，结果就越准确。实际的物理模型和数值模型是近似的，主要的影响因素是几何模型，材料特性，边界条件，荷载。Element section properties（单元界面特性）numerical singularity 数值奇异zero pivot 零主元2.2 Introduction to Abaqus/CAECAE-complete abaqus environment,分成各种模块，建立几何模型，定义材料模型，荷载，边界条件等。QuantitySISI (mm)US Unit (ft)US Unit (inch)LengthmmmftinForceNNlbflbfMasskgtonne (103 kg)sluglbf s2/inTimessssStressPa (N/m2)MPa (N/mm2)lbf/ft2psi (lbf/in2)EnergyJmJ (103 J)ft lbfin lbfDensitykg/m3tonne/mm3slug/ft3lbf s2/in42.3 Comparison of implicit and explicit procedures2.4.1 Choosing between implicit and explicit analysisAbaqus/Standard在解决光滑非线性问题十分有效率。波传播分析选择Abaqus/Explicit是一个明智的选择。由于接触问题和材料的复杂Abaqus/Standard很难收敛。2.4.2 Cost of mesh refinement in implicit and explicit analyses在3个方向细化为原来的两倍，计算成本增加为原来的222=8倍。显示方法计算成本很容易预测，隐式方法计算成本更难预测。3. Finite Elements and Rigid Bodies刚体不考虑变形，所以位移很简单。3.1 Finite elementsAbaqu