ABAQUS上机指导手册-20090320-定稿.doc

有限元法基础及应用上机指导书（ABAQUS版）南京理工大学2009年3月1 引言22 ABAQUS 软件32.1 ABAQUS分析步骤32.2 ABAQUS/CAE简介32.3 单位制53 上机实验1平面问题应力集中分析53.1 问题描述53.2 目的和要求63.3 操作步骤63.4 上机报告要求164 上机实验2平面问题有限元解的收敛性174.1 问题描述174.2 目的和要求174.3 操作步骤174.4 上机报告要求225 上机实验3轴对称模型235.1 问题描述235.2 目的和要求235.3 操作步骤235.4 上机报告要求306 上机实验4三维模型的线性静力分析316.1 问题描述316.2 目的和要求316.3 操作步骤316.4 上机报告要求397 上机实验5板-梁组合建模407.1 问题描述407.2 目的和要求407.3 操作步骤407.4 上机报告要求478 上机实验6综合练习题488.1 问题描述488.2 目的和要求488.3 操作说明481 引言上机实验是“有限元法基础及应用”课程的一个教学实践环节。通过上机，同学们可以对理论课所学有限元法的基本原理和方法有一个更加直观、深入的理解，同时通过对本实验所用软件平台ABAQUS的初步涉及，为将来在设计和研究中利用该类大型通用CAD/CAE软件进行工程分析奠定初步基础。2 ABAQUS 软件ABAQUS是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线性模拟问题。ABAQUS具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库，并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能。作为通用的模拟分析工具，ABAQUS不仅能解决结构分析中的问题（应力/位移），还能模拟和研究其它各种领域中的问题，如热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热电耦合分析）、声学分析、土壤力学分析（渗流应力耦合分析）和压电介质力学分析等。2.1 ABAQUS分析步骤有限元分析包括以下三个步骤：前处理、分析计算和后处理，这三个步骤在ABAQUS/CAE中的实现方法如下。1）前处理（ABAQUS/CAE）在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。ABAQUS/CAE是完整的ABAQUS运行环境，可以生成ABAQUS模型、交互式地提交和监控分析作业，并显示分析结果。ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个模块定义了模拟过程的一个方面，例如，定义几何形状、材料性质和网格等。建模完成后，ABAQUS/CAE可以生成ABAQUS输入文件，提交给ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit。2）分析计算（ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit）在分析计算阶段，使用ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，通常以后台方式运行，分析结果保存在二进制文件中，以便于后处理。完成一个求解过程所需的时间取决于问题的复杂程度和计算机的运算能力可以从几秒到几天不等。3）后处理（ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer）ABAQUS/CAE的后处理部分又称为ABAQUS/Viewer，可以用来读入分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云图、动画、变形图和XY曲线图等。2.2 ABAQUS/CAE简介ABAQUS/CAE的主窗口包括以下组成部分，如图2.1所示。图2.1 ABAQUS/CAE的主窗口1）标题栏（title bar）标题栏显示了ABAQUS/CAE的版本和当前模型数据库的名称。2）环境栏（context bar）ABAQUS/CAE包括一系列功能模块（module），其中每一模块完成模型的一种特定功能。通过环境栏中的Module列表，可以在各功能模块之间切换。环境栏中的其它项则是当前正在操作模块的相关功能。例如，在Part功能模块中，可以通过环境栏切换不同的部件。3）工具栏（toolbar）工具栏提供了菜单功能的快捷访问方式，这些功能也可以通过菜单直接访问。4）主菜单（menu bar）菜单栏中包含了所有当前可用的菜单，通过对菜单的操作，可以调用ABAQUS/CAE的全部功能。用户选择不同的功能模块时，菜单栏中所包含的菜单项也会有所不同5）模型树（model tree）模型树直观地显示出模型的各个组成部分，如部件、材料、分析步、载荷和输出要求等。使用模型树可以很方便地在各功能模块之间进行切换，实现主菜单和工具栏所提供的大部分功能。6）工具区（toolbox area） 当用户进入某一功能模块时，工具区就会显示该功能模块相应的工具，帮助用户快速调用该模块的功能。7）画布和作图区（canvas and drawing area）用户可以在这个区域中摆放视图（viewport）。8）视图区（viewport）模型显示在视图区中。9）提示区（prompt area）在进行各种操作时，会在这里显示相应的提示。10）信息区（message area）信息区中显示状态信息和警告。这里也是命令行接口（command line interface）的位置。通过主窗口左下角的选项页，可以在二者之间切换。11）命令行接口（command line interface）利用ABAQUS/CAE内置的Python编译器，可以使用命令行接口键入Python命令和数学计算表达式。2.3 单位制ABAQUS本身没有单位系统，在建模时必须采用一致的单位系统，如表2.1所示。在输入弹性模量和密度时，一定要注意所采用的单位系统。本书中采用表2.1中的第二种单位系统。表2.1 一致的单位系统量长度力应力质量密度国际单位制mNPa（N/m2）kgkg/m3国际单位制（mm）mmNMPa（N/mm2）tonne（103kg）tonne/mm33 上机实验1平面问题应力集中分析3.1 问题描述一个正方形板，边长L = 200mm，中心有一小孔，直径D = 10mm，左右边受均布拉伸载荷，面力集度q = 1，如图3.1所示。材料参数：，为平面应力模型。当边长L为无限大时，x = 0截面上理论解为：其中R为圆孔半径，r为截面上一点距离圆心的距离。x = 0截面上孔边（）应力，所以理论应力集中系数为3.0。图3.1 带孔平板的分析模型3.2 目的和要求掌握平面问题的有限元分析方法和对称性问题建模的方法。通过简单的力学分析，可以知道该问题属于平面应力问题，基于结构和载荷的对称性，可以只取模型的14进行分析。用8节点四边形单元分析x = 0截面上的分布规律和最大值，计算圆孔边的应力集中系数，并与理论解对比。3.3 操作步骤3.3.1启动ABAOUS/CAE开始程序ABAQUS 6.7-1ABAQUS CAE。启动ABAQUS/CAE后，在出现的Start Session（开始任务）对话框中选择Create Model Database（创建新模型数据库）。3.3.2创建部件在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中，可以看到模块列表Module：Part，这表示当前处在Part（部件）功能模块，可按照以下步骤来创建带孔平板的几何模型。（1）创建部件 点击左侧工具区中的（Create part），弹出如图3.2所示的Create Part对话框。在Name（部件名字）后面输入Plate，将Modeling Space（模型所在空间）设为2D Planar（二维平面），将Approximate size设置为200，其余参数不需改变。点击Continue。（2）绘制圆弧 ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区内显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即为X轴和Y轴，二者相交于坐标原点。 图3.2 Create Part对话框 图3.3 二维几何模型选择绘图工具箱中的圆弧工具，窗口底部的提示区显示“Pick a Center point for the Arc or enter X，Y”（点击圆弧的中心点，或输X、Y坐标）。在视图区中移动鼠标时，鼠标会自动对齐栅格点，视图区左上角会显示出鼠标当前位置的坐标。点击视图区正中间的坐标原点（0，0），作为圆弧中心。此时窗口底部的提示区信息变为“pick a start point for the arc or enter X，Y”（点击圆弧的起始点，或输入X、Y坐标），而且随着鼠标的移动，圆弧的形状也随之显现出来。点击坐标为（0，5）的位置作为圆弧起点，再点击坐标为（5，0）的位置作为圆弧终点，这样就完成了对14圆孔的绘制。提示：如果绘图过程中操作有误，可以点击绘图工具箱中的撤销工具来撤销上一步操作，也可以使用删除工具来删除错误的几何图形，具体操作步骤如下：（a）点击绘图工具箱中的删除工具。（b）在所绘图形中点击要删除的线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线。如果想选择多条线，可以在点击此线的同时按住Shift键，或者按住鼠标左键不放，在视图区中画出一个矩形框，选中框内的线。如果想取消对某条线的选择，可以在点击此线的同时按住Ctrl键。（c）在视图区中点击鼠标中键，或点击窗口底部的提示区中的Done（完成），被选中的线即被删除。（d）根据需要，重复步骤（b）和（c）。（e）在视图区中点击鼠标中键，或点击提示区中的Done。结束对删除工具的使用。提示：同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标右键（或者点击顶部工具栏中的），然后拖动鼠标，就可以缩放模型。同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标中键（或者点击顶部工具栏中的），然后拖动鼠标，就可以平移模型。同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标左键（或者点击顶部工具栏中的），然后拖动鼠标，就可以旋转模型。点击窗口顶部工具栏中的，然后拖动鼠标，可以放大模型的局部。点击窗口顶部工具栏中的，可以使模型充满屏幕。点击主菜单中的View Toolbars View，弹出试图工具栏，可以选择不同的视图。（3）绘制直线 选择绘图工具箱中的画线工具，依次点击坐标为（0，5）、（0，100）、（100，100）、（100，0）和（5，0）的位置，在视图区中点击鼠标中键结束画线操作，完成如图3.3所示的二维模型。再次点击鼠标中键退出画线工具，最后再一次点击鼠标中键退出绘图环境，视图区中显示出完成后的部件。（4）保存模型 在进行下一步之前点击窗口顶部工具栏中的来保存所建的模型。键入一个文件名xiti_plate，ABAQUS/CAE会自动加上后缀名.cae。3.3.3创建材料和截面属性在窗口左上角的Module（模块）列表中选择Property（特性）功能模块，如图3.4所示。按照以下步骤来定义材料。图3.4 选择功能模块（1）创建材料 点击左侧工具区中的（Create Material），或在主菜单中选择Material Create，弹出Edit Material对话框。在Name（材料名称）后面输入Steel，点击此对话框中的Mechanical（力学特性） Elasticity（弹性） Elastic（弹性）。在数据表中设置Youngs Modulus（弹性模量）为210000，Poissons Ratio（泊松比）为0.3，其余参数不需改变（如图3.5所示），点击0K。 图3.5 定义材料图 3.6 定义截面（2）创建截面属性 点击左侧工具箱中的（Create Section），弹出Create Section对话框，按如图3.6设置参数，点击Continue。在弹出的Edit Section对话框。保持默认参数不变（Material：Steel；Plane stress/strain thickness：1 ），点击OK。提示：平面应力问题的截面属性是Solid（实心体），而不是Shell（壳）。（3）给部件赋予截面属性 点击左侧工具区中的（Assign Section），或在主菜单中选择Assign Section，点击视图区中的平板模型，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的实体边界，在视图区中点击鼠标中键，弹出Edit Section Assignment对话框，点击OK。3.3.4定义装配件整个分析模型是一个装配件，即使一个零件也要建一个装配件。前面在Part功能模块中创建的各个部件将在Assembly功能模块中装配起来。具体操作方法是：在窗口左上角的Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。点击左侧工具区中的（Instance Part），。在弹出的Create Instance对话框中（如图3.7所示），前面创建的部件Plate自动被选中， Instance Type默认参数为：Dependent（mesh on part），点击OK。图3.7 把实体加入装配体 图3.8 创建载荷3.3.5设置分析步ABAQUS/CAE会自动创建一个初始分析步（initial step），可以在其中施加边界条件。用户还必须自己创建后续分析步（analysis step），用来施加载荷。具体操作方法是：在窗口左上角的Module列表中选择Step（分析步）功能模块。点击左侧工具区中的（Create Step）。在弹出的Create Step对话框中，在Name后而输入Apply Load，其余参数保持默认值（Procedure type：General；选中Static，General），点击Continue。在弹出的Edit Step对话框中，保持各参数的默认值，点击OK。3.3.6定义边界条件和载荷在窗口左上角的Module列表中选择Load（载荷）功能模块，定义边界条件和载荷。（1）施加载荷 点击左侧工具区中的（Create Load）。在弹出Create Load对话框中（见图3.8），将Types for Selected Step（所选分析步的载荷类型）设为Pressure，其余参数保持默认值，点击Continue。 图3.9 设置载荷 3.10 创建位移边界条件此时窗口底部的提示区信息变为“Select surfaces for the load”，点击平板的右侧边界线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线，在视图区中点击鼠标中键。在弹出的Edit Load对话框中（见图3.9），在Magnitude后面输入1，然后点击OK。提示：载荷类型Pressure的含义是单位面积上的力，正值表示压力，负值表示拉力。（2）定义平板左边上的对称边界条件 点击左侧工具区中的（Create Boundary Condition），弹出Create Boundary Condition对话框中（见图3.10），在Name后面输入Fix-X，将Step设为Initial，Types for Selected Step选择Displacement/Rotation，其余各项参数保持默认值，点击Continue。点击平板的左侧边界线，在视图区中点击鼠标中键。在弹出的Edit Boundary Condition对话框中（图3.11），设置U1 =0（X方向平动位移为0，其它方向自由），然后点击OK。 图3.11 约束左边直线边界 图3.12 施加载荷和边界条件后的模型（3）定义平板底边上的对称边界条件 同步骤（2），在Create Boundary Condition对话框中，Name后面输入Fix-Y，将Step设为Initial，Types for Selected Step选择Displacement/Rotation，其余各项参数保持默认值，点击Continue。点击平板的底边界线，在视图区中点击鼠标中键。在弹出的Edit Boundary Condition对话框中，设置U2 =0（Y方向平动位移为0，其它方向自由）。施加约束和边界条件之后的模型如图3.12所示。3.3.7划分网格在窗口左上角的Module列表中选择Mesh（网格）功能模块，在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Part：Plate（见图3.13），即为部件Plate划分网格，而不是为整个装件划分网格。图3.13 把划分网格的对象设为Part：plate（1）设置总体种子 在左侧工具区中点击，弹出Global Seed对话框，Approxiate global size后输入5，如图3.14所示，点击OK。（2）修改圆弧边种子 在左侧工具区中的上按住鼠标左键不放，显示出一组图标（如图3.15所示），在其中选择（Seed Edge：by Number）。点击圆弧，在视图区中点击鼠标中键，在窗口底部的提示区中设置Number of Elements along the edges：8（边界线上的单元数为8），再次在视图区中点击鼠标中键，视图区中的模型将如图3.16所示。 图3.14 设置全局种子 图3.15 图标选择 图3.16 模型的种子分布 图3.17 网格控制参数（3）设置网格控制参数 点击左侧工具区中的（Assign Mesh Controls），弹出Mesh Controls（网格控制参数）对话框，将Element Shape设为Quad，Techniques设为Structured，如图3.17所示，其余参数保持默认值，点击OK。 图3.18 设置单元类型 图3.19 网格的生成（4）设置单元类型 点击左侧工具区中的（Assign Element Type），弹出Element Type对话框，如图3.18所示。将Geometric Order（几何阶次）设为Quadratic（二次单元）取消对Reduced integration（减缩积分）的选样，其余参数保持默认值，看到对话框中提示当前单元类型为CPS8：A 8-node biquadratic Plant stress quadfilateral（8节点双二次平面应力四边形单元），点击OK。（5）划分网格 点击左侧工具区中的（Mesh Part Instance），窗口底部的提示区显示“OK to mesh the part instance？”（为实体划分网格？），点击Yes，得到如图3.19所示的网格。3.3.8提交分析作业在窗口左上角的Module列表中选择Job （分析作业）功能模块。（1）创建分析作业 点击左侧工具区中的（Job Manager），弹出Job Manager对话框，点击Create（创建新的作业），在Name后面输入Plate-CPS8，点击Continue，弹出Edit Job对话框，各参数保持默认值，点击OK。（2）提交分析 在Job Manager对话框中点击Submit（提交分析）。看到对话框中的Status（状态）提示依次变为Submitted，Running和Completed，这表示对模型的分析已经成功完成，如图3.20所示。点击此对话框中的Results（分析结果），自动进入Visualization模块。图3.20 提交分析步3.3.9后处理看到窗口左上角的Module列表已自动变为Visualization功能模块，视图区中显示出模型未变形时的轮廓图。（1）显示应力云图 主菜单中选择Results Field Output，弹出Field Output对话框，选择S（应力），再选择S11分量（），如图3.21所示，点击OK。然后，点击左侧工具区中的（Plot Contours），显示的云图如图3.22所示。 图3.21 选择应力输出分量S11 图3.22 X方向应力分量的云图（2）查询左边界直线与圆弧边交点的值 点击窗口顶部工具栏中的（Query Information），或在主菜单中选择Tools Query（查询），在弹出的Query对话框中选择Probe values（查询值）。在弹出的Probe Values对话框中，将Probe（查询对象）设为Nodes，选中S S11，然后将鼠标移至查询点处，此节点的应力值就会在Probe Values对话框中显示出来，并做好记录！如图3.23所示。图3.23 左边界直线与圆弧边交点的应力值（3）输出左右对称面上的曲线 在主菜单中选择Tool PathCreate，弹出Create Path对话框，Name后输入名字Path-S11，Type设为Node list，点击Continue，弹出Edit Node list Path对话框，如图3.24所示。点击对话框下部的Add Before，在屏幕上从下到上依次点取左对称面上的各节点，选取节点完成后的图形如图3.25所示。然后点击中键确认，在弹出的对话框中点击OK。 图3.24 Edit Node list Path对话框 图3.25 左对称边界上的节点选取在主菜单中选择Tool XY DataCreate，弹出Create XY Data对话框，其中Source设为Path，点击Continue，弹出如图3.26所示的对话框，在Path下拉菜单中选择Path-s11，点击对话框下方的Plot，得到如图3.27所示的曲线，此曲线即为左右对称面上的分布曲线。图3.26 绘图对话框 图3.27 左右对称面上的分布曲线3.3.10退出ABAQUS/CAE点击窗口顶部工具栏中的来保存模型，然后点击主菜单中选择FiIe Exit，退出ABAQUS/CAE。3.4 上机报告要求（1）实验目的和要求描述。（2）本实验项目上机实验过程概述。（3）实验内容分析：a）描述模型全局应力分布规律；b）根据记录的左边界孔边应力，计算应力集中系数，分析误差来源。（4）实验小结和体会。4 上机实验2平面问题有限元解的收敛性4.1 问题描述简支梁如图4.1所示，截面为矩形，高度h=200mm，长度L=1000mm，厚度t=10mm。上边承受均布载荷，面力集度q=1MPa，材料的，。此问题可作为平面应力问题求解。X方向正应力的弹性力学理论解如下：，下边中点图4.1 简支梁模型4.2 目的和要求（1）在ABAQUS软件中用有限元法探索整个梁上，的分布规律。（2）计算梁底边中点正应力的最大值；对单元网格逐步加密，把的计算值与理论解对比，考察有限元解的收敛性。（3）针对上述力学模型，对比三节点三角形平面单元和8节点四边形平面单元的求解精度。4.3 操作步骤4.3.1创建部件启动ABAOUS/CAE，进入Module/Part：（1）创建部件 点击，Name：beam， Modeling Space：2D Planar，Approximate size：2000。（2）梁平面应力模型 选择左侧工具栏中的绘图工具，绘制如图4.2所示的矩形框。如尺寸符合要求，点击屏幕下方的Done，得到梁的平面应力模型。图4.2 绘制矩形框4.3.2创建材料和截面属性Module/ Property：（1）创建材料 点击（Create Material），弹出Create Material对话框。Name：Steel，点击Mechanical Elasticity Elastic。Youngs Modulus：210000，Poissons Ratio：0.3。（2）创建截面属性 点击（Create Section），弹出Create Section对话框，点击Continue，保持默认参数不变（Material：Steel；Plane stress/strain thickness：1 ），点击OK。（3）点击图标，给部件赋予截面属性。4.3.3定义装配件Module/ Assembly:点击（Instance Pan），Instance Type默认参数为：Independent（mesh on instance），点击OK。4.3.4设置分析步Module/ Step:（1）点击图标（Create Step），弹出Create Step对话框中，Name： Pressure Load， Procedure type：General；选中Static，General，点击Continue。在弹出的Edit Step对话框中，保持各参数的默认值。（2）点击窗口顶部工具栏中的保存模型，命名为xiti_beam。4.3.5定义边界条件和载荷Module/ Load:（1）先将梁模型的左右两边界从中点分为两段（否则无法选择中点加载）。按住图标不放，从中选择（Partition Edge：Selected Midpoint/data point），如图4.3所示。左单击平板左边界，然后左单击左边界的中点，中键确认。类似方法分割右边界。（2）施加载荷 点击, Types for Selected Step: Pressure，其余参数保持默认值，点击Continue。点击平板的上侧边界线，中键确认，弹出Edit Load对话框，设置如图4.4所示。 图4.3 选择分割图标 图4.4 设置载荷（3）定义简支梁的左边界条件 点击（Create Boundary Condition），弹出Create Boundary Condition对话框中，在Name后面输入Fix-left，Types for Selected Step选择Displacement/Rotation,设置如图4.5所示，点击Continue，点击左边中点，点击鼠标中键弹出图4.6所示的Edit Boundary Condition对话框中，选中U1和U2，点击OK。（4）定义简支梁的右边界条件 再次点击，在Name后面输入Fix-right，点击Continue。点击平板的右边中点，点击鼠标中键，选中U2，然后点击OK。视图区中的模型将如图4.7所示。图4.5 创建边界条件 图4.6 编辑边界条件图4.7 创建边界条件后的图形显示4.3.6划分网格Module/ Mesh: 在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Assembly。（1）设置边上的种子 点击左侧工具区中的（Global Seed），在弹出的对话框中 Approximate global size：50，点击OK确认。（2）设置网格控制参数 点击左侧工具区中的,弹出Mesh Controls对话框，将Element Type设为Tri，Techniques设为Structured，点击OK。（3）设置单元类型点击左侧工具区中的, 弹出Element Type对话框。将Geometric Order（几何阶次）设为Linear（线性单元），其余参数保持默认值，看到对话框中提示当前单元类型为CPS3（CPS3：3节点线性平面应力三角形单元），点击OK。（4）划分网格 点击, 窗口底部的提示区显示“OK to mesh the part instance？”，点击Yes，得到如图4.8所示的网格。图4.8 三角形网格的生成4.3.7提交分析作业Module/ Job：（1）创建分析作业 点击（Create Job）， 弹出Create Job对话框，点击Create，在Name后面输入beam-CPS3，点击Continue，弹出Edit Job对话框，各参数保持默认值，点击OK。（2）提交分析 在Job Manager对话框中点击Submit（提交分析）。看到对话框中的Status（状态）提示依次变为Submitted，Running和Completed。点击此对话框中的Results，自动进入Visualization模块。4.3.8后处理（1）查看模型X方向应力（） 主菜单Results Field output，在弹出的对话框列表中选择S（应力）输出，Component中选择S11（X方向应力）。点击，显示出S11应力云图（见图4.9）。提示：为了得到连续应力，需要对计算结果强制平均。方法：选择左侧工具图标，弹出Results Option对话框（如图4.10所示），Computer Order选项中选择Compute scalars after averaging，点击OK。图4.9 S11（）应力云图图4.10 应力平均方法设置（2）查询底边中点最大值参考3.3.9节(2), 在主菜单中选择Tools Query（查询）,找出底边中部的最大值。参照通过应力理论解公式计算的应力值18.95MPa，考察本次计算有限元解的精度。（3）绘出底线上各点X方向的应力曲线操作方法同3.3.9节步骤（3），绘出底线上各点X方向的应力曲线。（4）点击窗口顶部工具栏中的保存模型。4.3.9 细化网格验证收敛性（1）复制模型 回到Mesh模块，在主菜单点击ModelCopy ModelModel-1，在弹出Copy Model对话框中输入Model-refine-1，点击OK。可以环境栏中Model后面显示新复制的模型。在主菜单中点击MeshDelete Instance mesh,提示栏中点击Yes。然后主菜单中点击SeedInstancesize，将单元尺寸设为20。然后Mesh Instance Yes。其它步骤不变，在Job模块中创建新的任务（beam-CPS3-20），求解细化网格后的模型。并按4.3.8节中的后处理过程记录和数据。并考察收敛于理论解的程度。（2）重复步骤（1），将单元尺寸变为10。记录计算结果，继续考察最大应力点收敛于理论解的程度。4.3.10 高阶单元分析与收敛参考4.3.6节和4.3.9节，将单元尺寸（全局种子）分别改为100、50、20，单元类型均设置为CPS8（8节点四边形二次完全积分单元），计算3次。对每一次计算，要求绘制和云图， Query（查询）底边中点最大值，并作记录，将该结果与4.3.8和4.3.9中计算的结果进行对比，体会高精度有限元网格的精度和收敛性能。Query（查询）模型中部从上至下应力值。4.4 上机报告要求（1）实验目的和要求描述。（2）本实验项目上机实验过程概述。（3）实验内容分析：a）根据计算得到应力云图，分析本简支梁模型应力分布情况和规律，主要考察和。并讨论的有限元解与材料力学解的区别。b）对照理论解，对最大应力点的应力收敛过程进行分析，列出各次计算应力及其误差的表格，绘制误差计算次数曲线，并进行分析说明。c）对3节点三角形平面单元和8节点四边形平面单元的求解精度和收敛性进行对比分析。（4）实验小结和体会。5 上机实验3轴对称模型5.1 问题描述如图5.1所示的旋转体零件，上表面施加100MPa的压力，底部固定，材料参数：弹性模量、泊松比，试模拟圆筒的应力和变形。图5.1 旋转体零件5.2 目的和要求（1）使用轴对称单元，依照轴对称的原理建模分析；（2）使用Visualization功能模块查看结果，延展轴对称单元构造等效的三维视图。5.3 操作步骤5.3.1创建部件（1）启动ABAQUSCAE，在Start Session对话框中选择Create Model Database（创建新模型数据库），进入Part（部件）功能模块。图5.2 创建部件对话框（2）点击左侧工具区中的（Create part），弹出Create Part对话框，在Name（部件名字）后面输入Axis，将Modeling Space设为Axisymmetric（轴对称），其余参数如图5.2所示，点击Continue。（3）绘制二维图 ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，选择左侧绘图工具箱中的画线工具，完成如图5.3所示的二维图，尺寸如图所示，点击done完成部件的创建，得到如图5.4所示的轴对称模型。图5.3 轴对称模型的二维图 图5.4 完成后的轴对称模型5.3.2创建材料和截面属性操作方法：Module列表中选择Property功能模块，按以下步骤创建材料和截面属性：（1）创建材料 点击左侧工具区中的（Create Material），弹出Edit Material对话框。Name后面输入Steel，点击此对话框中的Mechanical Elasticity Elastic。在数据表中设置Youngs Modulus为210000，Poissons Ratio为0.3，其余参数不变（如图5.5所示），点击0K。（2）创建截面属性 点击左侧工具箱中的（Create Section），弹出Create Section对话框，点击continue在弹出的Edit Section对话框，保持默认参数不变（Material：Steel；Plane stress/strain thickness：1 ），点击OK。图5.5 定义材料（3）给部件赋截面属性 点击左侧工具区中的（Assign Section），为部件Axis赋截面属性。5.3.3定义装配件操作方法：Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。点击左侧工具区中的（Instance Pan），弹出Create Instance对话框，部件Axis自动被选中， Instance Type默认参数为：Dependent（mesh on part），点击OK。5.3.4设置分析步操作方法：Module列表中选择Step（分析步）功能模块，点击左侧工具区中的（Create Step），弹出Create Step对话框，在Name后面输入Apply Load，其余参数保持默认值（Procedure type：General；选中Static，General），点击Continue，弹出Edit Step对话框，保持各参数的默认值，点击OK。5.3.5定义边界条件和载荷由于部件是轴对称柔体，可能发生的刚体位移是轴向位移U2，边界条件中只需要约束该自由度。操作方法：Module列表中选择Load（载荷）功能模块。（1）施加载荷 点击左侧工具区中的（Create Load），弹出Create Load对话框（如图5.6所示），将Types for Selected Step（所选分析步的载荷类型）设为Pressure（单位面积上的压力），其余参数保持默认值，点击Continue，选择图形上端面，点击OK，弹出Edit Load对话框（如图5.7所示），在Magnitude后面输入100，然后点击OK。 图5.6 创建载荷 图5.7 设置载荷（2）定义部件底部的边界条件 点击左侧工具区中的（Create Boundary Condition），弹出Create Boundary Condition对话框（如图5.8所示），在Name后面输入Fix-Y，将Step设为Apply Load，Types for Selected Step选择Displacement/Rotation，其余各项参数保持默认值，点击Continue。选择模型的底边作为约束位置，点击中键确认。在弹出的Edit Boundary Condition对话框中，选择U2，点击OK，如图5.9所示。施加载荷和边界条件后视图区中的模型将如图5.10所示。图5.8 创建边界条件 图5.9 约束Y方向位移图5.10 创建载荷和边界条件后的图形显示5.3.6划分网格操作方法：Module列表中选择Mesh（网格）功能模块，在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Part：Axis。（1）设置圆弧边的种子 在左侧工具区中的上按住鼠标左键不放，显示出一组图标，在其中选择（Seed Edge：by Number），选中圆弧段，点击中键确认，此时窗口左下角的提示区出现Constraints,点击此按钮得到图5.11对话框，选择第三项，点击OK。然后在窗口底部的提示区中设置Number of Elements along the edges：8，再次在视图区中点击鼠标中键。设置其它边种子：点击左侧工具区中，出现如图5.12所示的对话框，设置单元尺寸：40，点击OK。图5.11 约束圆弧的种子数图5.12 为其它边设置种子（2）设置网格控制参数 点击左侧工具区中的（Assign Mesh Controls），弹出Mesh Controls（网格控制参数）对话框，将Element Shape设为Quad，Techniques设为Structured，然后点击OK。（3）设置单元类型 点击左侧工具区中的（Assign Element Type），弹出Element Type对话框，Family列表中选择Axisymmetric stress，将Geometric Order设为Linear（线性单元），选中Reduced integration（减缩积分），其余参数保持默认值，看到对话框中提示当前单元类型为CAX4R，点击OK。（4）划分网格 点击左侧工具区中的（Mesh Part Instance），窗口底部的提示区显示“OK to mesh the part instance？”，点击Yes，得到如图5.13所示的网格。图5.13 网格的生成5.3.7提交分析作业Module列表中选择Job （分析作业）功能模块：（1）创建分析作业 点击左侧工具区中的（Job Manager），弹出Job Manager对话框，点击Create，在Name后面输入Axis，点击Continue，弹出Edit Job对话框，各参数保持默认值，点击OK。（2）提交分析 在Job Manager对话框中点击Submit（提交分析）。看到对话框中的Status（状态）提示变为Completed时，表示对模型的分析已经成功完成。点击此对话框中的Results（分析结果），自动进入Visualization模块。5.3.8后处理看到窗口左上角的Module列表已自动变为Visualization功能模块。（1）显示应力云图 点击左侧工具区中的（Plot Contours），显示出Mises应力的云图（见图5.14）。 图5.14 Mises应力的云图图 5.15 Y方向位移云图（2）显示位移云图 主菜单ResultField OutputName列表下选择U（位移）Component列表下选项U2，单击OK。显示Y方向位移云图，如图5.15所示。图5.16 ODB Display Options对话框（3）延展轴对称单元构造等效的三维视图。在Visualization功能模块中，点击主菜单ViewODB Display Options，弹出ODB Display Options对话框，如图5.16所示，选择Sweep/Extrude标签页，选中Sweep elements，然后点击OK。视图区中显示出等效的三维模型，如图5.17所示。提示：通过改变Sweep elements下的数字查看各种显示效果。图5.17 U2位移云图的等效三维模型5.4 上机报告要求（1）实验目的和要求描述。（2）本实验项目上机实验过程概述。（3）实验内容分析：a）了解在使用平面对称单元所需要注意的事项；b）了解通过延展轴对称单元构造等效三维视图的方法；c）轴对称问题的对称轴的选取；d）轴对称问题的位移约束，思考为什么轴对称问题不约束径向位移。（4）实验小结和体会。6 上机实验4三维模型的线性静力分析6.1 问题描述如图6.1所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，另一端受到均布剪力。材料的弹性模量E=210000MPa，泊松比。试计算支架自由端沿Y方向的位移以及内圆角处的最大应力。 图6.1 支架的分析模型 图6.2 支架模型的1/26.2 目的和要求尝试分析三维单元的应力应变情况，要求用ABAQUSCAE软件建立相应的实体模型和有限元离散模型，同时说明使用的单元类型。建模考虑利用问题的对称性。对比四面体单元和高精度六面体单元的计算精度。6.3 操作步骤6.3.1创建部件（1）通过拉伸（Extrude）来创建部件 在Module列表中选择Part功能模块，点击左侧工具区中的 （Create Part），弹出Create Part对话框。在Name后面输入Bracket，选择创建部件方式：3D，Deformable，Solid，Extrude，点击Continue，ABAQUSCAE自动进入绘图环境。（2）绘制平面图，尺寸如图6.3所示。具体方法：点左侧绘图工具，依次输入坐标（0，0）