ABAQUS基础PPT课件

.,1,第1章ABAQUS基础,.,2,本章主要内容,1ABAQUS产品的组成2ABAQUS/CAE中的分析模块与常用工具3ABAQUS中的分析模型组成,.,3,1ABAQUS产品的组成,.,4,1ABAQUS产品的组成,核心求解器ABAQUS/Standard通用模块，隐式积分ABAQUS/Explicit动态有限元模拟，显式积分,前后处理ABAQUS/CAE交互式图形环境（前处理）ABAQUS/ViewerCAE的一部分，又称为Visualization模块（后处理）,.,5,1ABAQUS产品的组成,其他模块ABAQUS/Aqua适合于模拟离岸结构，如油井平台，可用于分析波浪、风荷载和浮力的作用。ABAQUS/Design适合于进行设计敏感性计算ABAQUS/Foundation适合于线性静态、动态分析,.,6,2ABAQUS/CAE中的分析模块与常用工具,2.1ABAQUS/CAE的组成（Components）2.2ABAQUS/CAE中的分析模块（Modules）2.3ABAQUS/CAE中的常用工具（Tools）,.,7,2.1ABAQUS/CAE的组成（Components）,主窗口的组成工具栏（Toolbar）环境栏（Contextbar）模型树（Modeltree）工具区（Toolboxarea）视图区（Viewport）提示区（Promptarea）信息区（Messagearea）和命令行接口（Commandlineinterface）,.,8,2.2ABAQUS/CAE中的分析模块（Modules）,分析模块部件（Part）特性（Property）装配（Assembly）分析步（Step）相互作用（Interaction）载荷（Load）网格（Mesh）作业（Job）可视化（Visualization）草图（Sketch）,.,9,2.2ABAQUS/CAE中的分析模块（Modules）,分析过程,分析模块,.,10,2.3ABAQUS/CAE中的常用工具（Tools）,查询（Query）数据点（Datum）剖分（Partition）集合（Set）与面（Surface）显示组（DisplayGroup）,.,11,实例1：路面结构的受力分析,主要目的：熟悉ABAQUS/CAE中的常用工具。问题描述：具有五层结构的沥青路面，路面总厚度为69cm。在路面顶面作用标准行车荷载，即垂直压力0.7MPa，两荷载圆半径为1（10.65cm），圆心距为3（31.95cm）。模型深度取3m，宽度取6m。,.,12,实例1：路面结构的受力分析,路面结构各层材料的特性如下：,.,13,实例1：路面结构的受力分析,现场实例演示,.,14,ABAQUS约定1：单位,ABAQUS有限元程序中没有规定尺寸单位，需要用户自行定义一致的尺寸单位。常用的尺寸单位如下表所示（建议采用国际单位制SI或SI（mm）。,.,15,ABAQUS约定1：单位,.,16,ABAQUS约定2：自由度,ABAQUS中的自由度（degreesoffreedom(dof)）规定如下：,.,17,3ABAQUS中的分析模型组成,3.1ABAQUS分析过程前处理（ABAQUS/CAE）模拟计算（ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit）后处理（ABAQUS/CAE）,.,18,3.2ABAQUS分析模型的组成,离散化的几何图形（Discretizedgeometry）单元截面属性（Elementsectionproperties）材料数据（Materialdata）载荷和边界条件（Loadsandboundaryconditions）分析类型（Analysistype）输出需求（Outputrequests）,.,19,4ABAQUS中的常用命令,命令约定：在C:Temp后输入abaqushelp，按Enter键回车，将显示当前版本ABAQUS所支持的所有命令（均以abaqus开头）。在下面的ABAQUS命令中，有以下约定：黑体字（Boldface）部分为可选项。可选项位置不限，并可被简写；默认选项下加下划线（）；方括号（）之间的部分是可选的；用竖线（|）隔开的部分是相互排斥的；花括号（）之间的部分必须选择一个；斜体字（italics）部分必须由用户给定一个值；空格（blanks）作为选项之间的分隔符，不要在等号（=）之前或之后使用；格式（option=value）可用格式（-optionvalue）代替。,.,20,4ABAQUS中的常用命令,用于获取信息的命令（Executionprocedureforobtaininginformation）abaqushelp|information=environment|local|memory|release|status|support|system|alljob=job-name|whereami最常用命令：abaqushelp（用来获取ABAQUS所有命令）,.,21,4ABAQUS中的常用命令,用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit求解器的命令（ExecutionprocedureforABAQUS/StandardandABAQUS/Explicit）abaqusjob=job-nameanalysis|datacheck|parametercheck|continue|convert=select|odb|state|all|recover|syntaxcheck|information=environment|local|memory|release|status|support|system|allinput=input-fileuser=source-file|object-fileoldjob=oldjob-namefil=append|newglobalmodel=resultsfile-name|outputdatabasefile-namecpus=number-of-cpusparallel=domain|loopdomains=number-of-domainsmp_mode=mpi|threadsstandard_parallel=all|solvermemory=memory-sizeinteractive|background|queue=queue-nameafter=timedoublescratch=scratch-diroutput_precision=single|full,.,22,输入文件（*.inp）的格式约定,关键字行“*”开始，后紧跟关键字和必要参数*Element，type=T2D2续行标志符，“，”*Element，type=T2D2,ELSET=FRAME关键字行中可存在空格*Element，type=T2D2,.,23,输入文件（*.inp）的格式约定,数据行必须经跟关键字行*NODE101，0.，0.，0.102，1.，0.，0.数据行中可存在空格101，0.，0.，0.101，0.，0.，0.,.,24,有限单元和刚体,.,25,3.1单元（element）的表征,单元簇（Family）自由度（Degreesoffreedom，与单元族直接相关）节点数（Numberofnodes）数学描述（Formulation）积分（Integration）,.,26,ABAQUS常用单元簇,.,27,ABAQUS常用单元簇,单元名字开始的字母S4R壳单元C3D8I实体单元CINPE4无限单元B31梁单元,.,28,ABAQUS自由度约定,1、2、31、2、3方向的平动4、5、6绕1、2、3轴的转动7开口截面梁单元的翘曲8声压或孔隙压力9电势11温度（或物质扩散分析中归一化浓度）12+梁和壳厚度上其它点的温度,.,29,ABAQUS自由度约定,轴对称单元1r-方向的平动2z-方向的平动6r-z平面内的转动,.,30,单元数-插值的阶数,线性单元（一阶单元）,二次单元（二阶单元）,.,31,单元的数学描述,1.拉格朗日或材料行为的描述（不存在自适应网格时）材料不在单元间移动,2.欧拉或空间描述材料在单元间流动流体力学模拟,3.混合描述（ABAQUS/Explicit中自适应网格）小知识：杂交单元的数学描述单元名字后加“H”，如C3D8H,.,32,单元积分,高斯积分方法全积分CAX4减缩积分CAX4R,.,33,3.2实体单元,C3D8实体单元单元维数节点数3D：三维单元AX：轴对称单元PE：平面应变单元PS：平面应力单元,.,34,3.2.1三维实体单元,六面体（砖形）、楔形或四面体形应尽量采用六面体单元或修正二次四面体单元。,.,35,3.2.2二维实体单元,模拟厚结构,模拟薄结构,模拟轴对称结构,.,36,3.2.3实体单元自由度,二维（平面应变、平面应力、无扭曲轴对称）1、2三维1、2、3,.,37,3.2.4实体单元性质,仅二维单元需要单元性质*SOLIDSECTION三维和轴对称单元不需要附加几何信息,.,38,3.3壳单元,一般壳单元S4R，S3R，SAX1，SAX2，SAX2T薄壳单元STRI3，STRI35，STRI65，S4R5，S8R5，S9R5，SAXA厚壳单元S8R，S8RT,.,39,3.3.2壳单元自由度,名字以“5”结尾的三维壳单元5自由度：3平动2转动其它三维壳单元6自由度：3平动3转动轴对称壳单元1r-方向的平动2z-方向的平动6r-z平面的转动,.,40,3.3.3壳单元性质,数值积分方法*SHELLSECTION一般方法*SHELLGENERALSECTION,.,41,3.3.4数学描述和积分,数学描述S4R，S3R，SAX考虑了有限膜应变，允许壳厚度随单元的变形而变化其它单元假定小应变，壳厚度不变积分四边形、三角形壳单元，S3R，采用减缩积分其它三角形壳单元，采用全积分,.,42,刚体（Rigidbodies）,.,43,总结（Summary）,单元类型的选择对模拟的准确性和效率具有重要影响。单元节点的自由度依赖于与单元的连接。单元名完全定义了单元簇、数学描述、节点数和积分类型。所有单元必须要指定截面（section）性质。,.,44,对于实体单元，可定义应力和应变等输出变量。模型上的任何一部分均可定义为刚体。刚体的计算效率远高于多点约束。,.,45,第四章应用实体单元,研究内容不同的单元数学描述和积分水平如何影响一个特定分析的精度选择实体单元的通用性指导,.,46,4.1单元数学描述和积分,完全积分减缩积分非协调单元杂交单元,.,47,4.1.1完全积分,完全积分是指当单元具有规则形状时，所用的高斯积分点可以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确地积分。,.,48,相关知识,剪力自锁将使单元变得“刚硬”，只影响受弯曲荷载的完全积分线性（一阶）单元，这些单元功能在受直接或剪切荷载时没有问题。二次单元的边界可以弯曲，没有剪力自锁的问题。,.,49,.,50,4.1.2减缩积分,只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分。所有的楔形、四面体和三角形实体单元采用完全积分。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。,.,51,采用减缩积分的二维单元积分点,.,52,线性减缩积分单元,存在沙漏（hourglassing）的数值问题，过于柔软。,.,53,二次减缩积分单元,二次减缩积分单元也存在沙漏模式。但在正常网格中这种模式几乎不可能扩展，并且在网格足够细时很少成为问题。,.,54,4.1.3非协调单元,目的：克服完全积分一阶单元的剪力自锁问题。剪力自锁是由于单元的位移场不能模拟与弯曲相联系的运动学现象而引起的。,.,55,ABAQUS对非协调单元采用了增强位移梯度形式。在弯曲问题中，用非协调单元可得到与二次单元相当的结果，且计算费用明显降低。对单元扭曲很敏感。,.,56,非协调单元选用策略,必须保证单元扭曲非常小，才可采用非协调单元；对网格较复杂的模型，宜采用减缩积分二次单元。,.,57,4.1.4杂交单元,对于ABAQUS的每一种实体单元，如所有减缩积分单元和非协调单元，均可得到一个杂交单元形式。（单元名字前加“H”）当材料是不可压缩的（泊松比=0.5）或非常接近于不可压缩时（泊松比0.495）时采用杂交单元。杂交单元包含一个可直接确定单元中压应力的附加自由度。其节点位移只用来计算偏（剪）应变和应力。,.,58,4.2选择实体单元,一般情况下应采用二次减缩积分单元（CAX8R，CPE8R，CPS8R，C3D20R）。在应力集中局部采用二次完全积分单元（CAX8，CPE8，CPS8，C3D20）。对含有非常大的网格扭曲模拟（大应变分析），采用细网格划分的线性减缩积分单元（CAX4R，CPE4R，CPS4R，C3D8R）。对接触问题采用线性减缩积分单元或非协调单元（CAX4I，CPE4I，CPS4II，C3D8I等）的细网格划分。,.,59,采用非协调单元时应使网格扭曲减至最小。三维情况应尽可能采用块状单元（六面体）。对小位移问题采用二次四面体单元（C3D10）是可行的。,.,60,4.7小节,在诗体单元中所用的数学公式和积分阶数对分析的精度和花费有非常显著的影响。使用完全积分的单元，尤其是一阶（线性）单元，容易形成自锁现象，在正常情况下不要应用。一阶减缩积分单元容易出现沙漏现象；充分的单元细化可减小这种问题。,.,61,在分析中如有弯曲位移，且采用一阶减缩积分单元时，应在厚度方向上至少用4个单元。沙漏现象在二阶减缩积分单元中较少见。在大多数一般问题中要考虑应用这些单元。非协调单元的精度依赖于单元扭曲的量值。,.,62,结果的数值精度依赖于所用的网格。应进行网格细化研究已确保该网格对问题提供了唯一的解答。但是应记住使用一个收敛网格不能保证计算结果与问题的行为相匹配：它还依赖于模型其它方面的近似化和理想化程度。通常只在想要得到精确结果的区域细化网格。ABAQUS具有一些先进的特点，如子模型，它可以帮助对复杂模拟得到有用的结果。HOURGLASS,.,63,第七章非线性,线性分析非线性分析,.,64,7.1非线性的来源,材料非线性边界非线性几何非线性,.,65,7.1.1材料非线性,应变率相关材料的材料参数和材料失效都是材料非线性的表现形式。,.,66,7.1.2边界非线性,边界非线性是极度不连续的：在模拟分析中发生接触时，结构的响应特性会在瞬时发生很大的变化。,.,67,7.1.3几何非线性,大挠度或转动“突然翻转”初应力或荷载硬化,.,68,.,69,7.2非线性问题的求解,求解方法：牛顿-拉弗森方法,.,70,7.2.1分析步、增量步和迭代步,模拟计算的加载过程包含一步或多步骤分析。一个分析步一般包括分析过程选项、载荷选项和输出要求选项等。增量步是分析步的一部分。迭代步是在一增量步中找到平衡解的一种尝试。,.,71,7.2.2平衡迭代和收敛性,.,72,7.2.3自动增量控制,ABAQUS自动调整荷载增量的大小。宜在每步模拟计算中建议第一个模量的大小。,.,73,7.3ABAQUS分析中包含的非线性,几何非线性,.,74,7.3.1几何非线性,输入文件中的修改：需要在*STEP选项中加入NLGEOM参数，并去掉PERTURBATION参数。还可加入INC参数来指定此步分析中允许的最大增量步的数目。*STEP,NLGEOM,INC=25*STATIC0.1,1,0,.,75,7.7小结,结构问题中存在着三种非线性来源：材料、几何和边界（接触）。几何非线性发生在位移量值影响结构响应的情况下。包括大位移和转动效应、突然翻转和荷载硬化。非线性问题利用牛顿-拉弗森方法进行迭代求解。,.,76,非线性分析步被分为许多增量步。通过迭代，ABAQUS在新的荷载增量结束时近似地达到静力学平衡，在整个模拟计算中完全控制荷载的增量和收敛性。状态文件（.sta）允许在分析运行时监控分析过程的进展。信息文件（.msg）包含了荷载增量和迭代过程的详细信息。在每个增量步结束时可以保存计算结果，可用ABAQUS/Viewer显示出来。,.,77,第八章材料,ABAQUS的材料库包含绝大多数的工程材料，如金属、塑料、橡胶、泡沫塑料、复合材料、颗粒状土壤、岩石、素混凝土和钢筋混凝土等,.,78,8.1ABAQUS中的材料定义,每一种材料的定义都要以一个*MATERIAL选项开始。如*MATERIAL,NAME=STEEL*ELASTIC-弹性性质2.1E11,0.3*PLASTIC-塑性性质2.0E8,0.03.0E8,0.2*DENSITY-密度7800.0,.,79,8.2延性金属的塑性,.,80,8.2.3在ABAQUS中定义塑性,在ABAQUS中必须用真实应力和真实应变定义塑性。真实应力和名义应力、名义应变之间的关系：真实应变和名义应变之间的关系：,.,81,弹性应变和塑性应变的分离,.,82,8.3为弹塑性问题选择单元,完全积分的一次实体单元在ABAQUS中的体积应变是常量，不会产生体积锁死，可安全用于塑性问题。减缩积分的实体单元具有更少的积分点，可用于大多数弹塑性模拟。,.,83,等值线图需要的是节点数据，而ABAQUS/Standard计算的却是积分点的单元变量。,.,84,第十章多步骤分析,两类分析过程：线性扰动和一般分析,.,85,10.1一般（非线性）分析过程,初始条件*INITIALCONDITION指定用来定义整个模拟过程中的第一个一般步骤的起始点。,.,86,10.1.1一般分析步骤中的时间,两种时间度量：总体时间，分步时间,.,87,10.1.2在一般步骤中指定荷载,在一般步骤中必须以总量的形式来指定荷载，而不能用增量的形式。在ABAQUS中指定荷载不仅仅是提供其大小和方向，必须说明这些新荷载于在前面的一般步骤中定义的、已经存在的同一类型的载荷和边界条件是如何发生的。,.,88,*BOUNDARY，*CLOAD，*DLOADOP=MOD（默认），OP=NEWOP=MOD只改变前一步骤中已定义的、相同位置的同一类型荷载或边界条件。OP=NEW将清除模型上所有已存在的同一类型的荷载或边界条件，只施加当前步骤指定的荷载或边界条件。,.,89,.,90,10.2线性扰动分析,扰动步骤中的荷载应足够小，以使得模型的响应不至于大大偏离用切线模量预测的响应。如果模拟中包含接触，在扰动步骤中两个表面之间的接触状态不发生改变：基本状态中闭合的点仍保持闭合，张开的点仍保持张开。,.,91,10.2.1线性扰动步骤中的时间,如果另外一个一般步骤跟在一个扰动步骤后面，那么它是将上一个一般步骤结束时模型的状态作为其起始点，而不是将扰动步骤结束时模型的状态作为其起始点。这样，线性扰动步骤中的响应对模拟不产生永久的影响。实际上线性扰动步骤的时间非常小：10-36。,.,92,10.2.2线性扰动步骤中的载荷确定,在线性扰动步骤中给定的载荷和边界条件只对该步骤有效。在线性扰动步骤中给定的载荷量值（包括规定的边界条件的量值）总是载荷的增量（扰动），而不是载荷的总量。在一个线性扰动步骤中作用在模型上的综合作为最后一个一般步骤的“恒”荷载与当前步骤中施加的扰动荷载之和。,.,93,在ABAQUS/Standard中，下面的过程总是线性扰动步骤：*BUCKLE*FREQUENCY*MODELDYNAMIC*RANDOMRESPONSE*RESPONSESPECTRUM*STEADYSTATEDYNAMIC,.,94,10.4重新启动分析,ABAQUS中的重新启动文件允许重新启动一个模拟，计算出模型对附加的载荷过程的响应。,.,95,10.4.1写重新启动文件,选项*RESTART控制着写重新启动文件。这个选项可以出现在输入文件的任何地方，但通常它是作为步骤定义的一部分。*RESTART，WRITE，FREQUENCY=n,.,96,10.4.2读重新启动文件,当由前一分析结尾重新进行一个模拟时，在*RESTART选项中用READ参数。也可以用STEP和INC参数指定模拟的载荷过程中的特殊点来重新启动分析。当进行一个重新启动模拟时，*RESTART选项应紧跟在*HEADING选项后面。,.,97,由于分析的模型数据将从重新启动文件中读取，所以在重新启动的输入文件中不能出现模型数据。只有节点集定义、单元集定义、幅值定义和附加的过程数据可以在重新启动的输入文件中给出。,.,98,继续一个中断的运行,新的分析直接从前一分析中指定的步骤和增量继续进行。*HEADINGRestartofinterruptedrun*RESTART,READ,STEP=,INC=,.,99,继续进行附加的步骤,*HEADINGAddnewstepdata*RESTART,READ,STEP=,INC=*STEPnewstepdefinition*ENDSTEP,.,100,改变分析,*HEADINGContinueananalysisthatexceedthemaximumnumberofincrement*RESTART,READ,STEP=,INC=20，ENDSTEP*STEPrepeatstepdefinition*ENDSTEP,.,101,10.5.3运行分析,当运行一个需要从重新启动文件中读取数据的模拟时，必须在ABAQUS命令行中用oldjob参数指定这个重新启动文件不加扩展名.res的根名。Abaqusjob=pipe-2oldjob=pipe,.,102,10.5.4重新启动分析结果的后处理,启动ABAQUS/Post并指定应该采用的来自重新启动分析的重新启动文件，采用如下命令：abaquspostreatart=pipe-2,.,103,10.7小结,一个ABAQUS模拟过程可包含任意数目的步骤。一个分析步骤就是一段“时间”，在这段时间内ABAQUS计算模型对一套指定载荷的边界条件的响应。这一步骤中所用的特殊分析过程确定了这个响应的特征。在一个一般分析步骤中，结构的响应可能是线性的，也可能是非线性的。,.,104,每一个一般步骤的开始状态是上一个一般步骤地结束状态。这样，在一个模拟中模型的响应随一系列一般步骤而演化。线性扰动步骤计算结构对扰动载荷的线性响应。这个响应的基本状态是相对于最后一个一般步骤结束时模型的状态所定义的。,.,105,在一般步骤中任何载荷选项里的OP参数（例如*BOUNDARY,*CLOAD和*DLOAD中）控制着这些选项中所指定的数值是如何与前面步骤中定义的数值相互作用的。只要存储了一个重新启动文件就可以进行重新启动分析。重新启动文件可以用来继续一个中断的分析或者给模拟添加附加的载荷过程。,.,106,第11章接触,接触模拟的一般目的是确定接触面积及计算所产生的接触压力。在有限元中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，允许力从模型的一部分传播到另一部分。在接触模拟中，要在模型中的各个构件上建立表面，必须定出可能会相互接触的一对表面（称为接触对）。,.,107,11.1表面间的相互作用,接触表面间的相互作用包括两个部分：一是垂直于接触面，另一是沿接触面的切向。切向部分包括表面间的相对运动（滑动），可能就是摩擦剪应力。,.,108,11.1.1垂直表面的相互作用,ABAQUS中的表面相互作用行为称为“硬接触”，即接触压力变为零或负值时，两表面分开，且约束移去。,.,109,11.1.2表面的滑动,表面的滑动计算可能涉及非常复杂的计算；ABAQUS必须区分滑动的位置和滑动量的大小；,.,110,11.1.3摩擦,.,111,在模拟过程中，粘结或滑移两种状态间的不连续导致了收敛问题。应该在仅当摩擦力对模型的响应有显著影响时才在模拟中考虑摩擦。ABAQUS采用一种允许“弹性滑动”的罚摩擦公式（上图中虚线）。两种摩擦模型：库仑摩擦模型和拉格朗日摩擦模型。,.,112,在模型中包含了摩擦，就是在待求解的系统方程中增加了不对称项。摩擦系数小于0.3，不对称项的大小和影响非常小且是规则的，对陈解法效果很好。对于较大的摩擦系数，采用不对称解法，以改进收敛率。通过在*STEP选项中包含UNSYMM=Yes参数选择不对称解法。,.,113,11.2在ABAQUS中定义接触,第一步：用*SURFACEDEFINITION选项建立表面；第二步：用*CONTACTPAIR选项建立可能接触的表面对。第三步：每一个接触对参考由*SURFACEINTERACTION选项建立的表面相互作用的定义。接触压力-间隙的关系和摩擦的行政科于表面相互作用的定义联系起来。,.,114,11.2.1定义表面-实体单元的表面,*SURFACEDEFINITION,NAME=FLANGE15,S2,.,115,11.2.1定义表面-实体单元的表面,*ELSET,ELSET=TOP,GENERATE5,8*SURFACEDEFINITION,NAME=TOPSURFTOP,S35,S48,S2,.,116,11.2.2接触对