ABAQUS海洋工程应用

ABAQUS软件及其在海洋石油工程中的应用,2005年7月6日,一、ABAQUS软件介绍二、ABAQUS软件应用介绍三、ABAQUS海洋工程模块及特殊用途单元介绍四、ABAQUS软件的INP文件介绍,一、ABAQUS软件介绍,1.1ABAQUS软件简介ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元分析软件之一，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。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做复杂系统级的分析和研究。由于ABAQUS在系统分析以及模拟复杂系统方面具有相对于其他分析软件独一无二特性，因此在各国的同业界以及研究机构中均被广泛使用，行业可覆盖汽车、船舶、电子、航空、航天、军工、国防、建筑、机械、材料、能源以及民用工业等。目前ABAQUS软件已成为国际上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件。,1.2ABAQUS的主要分析模块简介ABAQUS有两个主要的分析模块：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard还有两个特殊用途的附加分析模块：ABAQUS/Aqua和ABAQUS/Design。另外，ABAQUS还有分别与ADAMS/Flex，C-MOLD和Moldflow的接口模块等。ABAQUS/Standard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。ABAQUS/Explicit是隐式分析模块，适用于像冲击和爆炸这类短暂，瞬时的动态事件，是求解复杂非线性动力学问题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其它高度不连续事件。,ABAQUS/CAE（CompleteABAQUSEnvironment）是ABAQUS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，并能够对几何体赋于物理和材料特性、荷载以及边界条件。ABAQUS/CAE具有对几何体剖分网格的强大功能，并可检验所形成的分析模型。一旦模型生成，ABAQUS/CAE可提交并监控要分析的作业，可视化模块就可用来显式结果。ABAQUS/Viewer是ABAQUS/CAE的子集，它具有后处理功能，可以用来显示计算结果的工具，可以显示彩色等值线图、动画、变形形状绘图及x-y平面绘图等。,ABAQUS/Design是附加在ABAQUS/Standard上的可选功能模块，它主要用来进行敏感性计算，它的用途是对各种非线性结构进行优化敏感性分析。ABAQUS/Safe是ABAQUS的失效分析模块。根据ABAQUS的分析结果，它能判定组件的失效寿命。,二、ABAQUS软件应用介绍,1.汽车工业ABAQUS已经成为汽车工业中动力系统可靠性分析的标准软件。ABAQUS是最早的可以高精度模拟螺栓预紧力和垫片密封的有限元软件。世界各大汽车公司，如通用汽车公司等，均大量采用ABAQUS进行汽车动力系统的分析，图1所示的动力系统模型用于进行自由振动的特征值提取分析。,碰撞分析国外大部分的汽车制造商对碰撞模拟研究了很多年，但在进行真正可预测的碰撞模拟方面仍有许多工作要做。ABAQUS同其重要客户德国宝马汽车公司一起努力开发下一代的防撞性能模拟技术。基于ABAQUS强大的结构分析研发工作，我们将为客户提供真正可预测的碰撞分析解决方案。,2.航空航天工业作为航空航天领域的领导者，波音公司最早在设计阶段采用计算机辅助模拟。面对新机型设计的各种挑战，波音公司从90年代开始选择ABAQUS作为其主要的有限元模拟软件，并将其作为复杂非线性模拟的标准，广泛应用于波音公司的民用飞机、军用飞机和导弹系统的设计中。波音是ABAQUS在航空航天领域的重要软件功能评估伙伴，并一直推动着ABAQUS软件的发展。下图为波音公司进行压力舱隔框应力和屈曲分析的结果云图。薄壁结构用板壳单元模拟，共有13个连接面。纵向加强肋与放射状加强肋在蒙皮表面交叉，航空电子设备支撑肋与放射加强肋在蒙皮表面交叉。有限元模型包括22,424个节点和23,141个单元，共135,000个自由度。,压力舱隔框应力和屈曲分析结果云图,3.军事工业子弹穿甲模拟ABAQUS/Explicit具有强大的分析水下爆炸(UNDEX)的功能，图4为潜艇处于深海中的三维立体模型，图5为ABAQUS分析的潜艇外壳的压力轮廓线。,潜艇处于深海中的三维立体模型,ABAQUS分析的潜艇外壳的压力轮廓线,4海洋工程膨胀管分析荷兰壳牌石油公司同ABAQUS公司合作，对石油钻井中扩管膨胀这一工程问题进行了深入研究，下图为压差卡钻情况下由于管道扩展造成的接触压力分布云图。,接触压力分布云图,海上钻井平台分析ABAQUS/Aqua模块能够模拟海上结构，例如海洋石油平台或立管。其中某些功能包括模拟波浪、风载荷及浮力的影响。我们下面会详细介绍。,三、ABAQUS海洋工程模块,ABAQUS/AQUA是ABAQUS/Standard具有特殊用途的附加分析模块，ABAQUS/Aqua拓展了ABAQUS/Standard在海洋工程中的应用。它包括海洋平台导管架和立管的分析、J形管的拖曳模拟、底部弯曲计算和漂浮结构的研究。结构可以承受由稳定流和波效应引起的拖曳力、浮力和流体惯性载荷。还可以为自由水面以上的结构施加风载。ABAQUS/Aqua与ABAQUS/Standard其他的功能兼容，同时可以考虑静力、动力或模态分析中的线性和非线性效应。,3.1.周围介质3.1.1流体分布.用户提供流体密度和引力常数，同时需要提供稳态流速度与相对海床的位置和高度的函数。3.1.2波的分布.可以通过分析过程中计算的流体质点速度、加速度和动力学压力，可以定义重力波。同时包含Airy（线性）波理论和Stokes5阶理论。Airy理论允许任意数量的波列沿不同的方向传播。单个波列用于Stokes非线性理论，适合于模拟深水或大浪的情况。另外，可以直接在固定的网格上指定波速、加速度和动力学压力，然后通过线性或二次插值得到感兴趣点的相应的值。用户还可以通过用户子程序，将其他类型的波载施加到结构当中。3.1.3风的分布.因为ABAQUS/Aqua纪录自由表面的高度，而且还允许结构的部分浸没，所以风载只对结构暴露在空气中的区域有效。用户可以指定风速的分布，用于计算梁、管道和一维刚体单元的载荷分布。风的分布在水的自由表面以上的部分以指数函数的形式沿高度变化。在水平面上，风不发生变化。,3.2海洋环境载荷除了ABAQUS/Standard提供的载荷形式（重力载荷、静水压力等等），ABAQUS/Aqua为部分或全部浸没的结构提供特定的载荷库。用户可以指定那些单元承受那些类型的载荷，比如浮力或拖曳力。基于单元的几何形状、流体属性、稳态流、波的形式和风速的分布，程序将自动确定载荷的大小和方向。3.2.1拖曳载荷.利用Morison方程计算拖曳载荷。流体和风都可能在结构上产生拖曳载荷。流体表面之下的稳态流和波荷载引起流体拖曳力，它同时具有横向和切向的贡献；风载施加于结构在洋流表面之上的部分，只具有横向作用。在流体和结构之间，切向和横向的作用力同相对速度的平方成比例。,3.2.2浮力载荷.基于外露表面与垂直方向的取向计算浮力。默认情况下，提供封闭端条件。浮力可以用于梁单元、管道单元和弯管单元，还可以施加到刚体的表面用于研究浮动结构，比如张力腿平台和海船。拖曳力、浮力和点载荷可以施加于刚梁。可以得到刚体参考点瞬时的全部垂直载荷、剪力和翻转弯矩。当浮力载荷同波分布同时施加时，由静止表面干扰引起的动力学压力被添加到静水压力，用于计算总体浮力载荷。3.2.3惯性载荷.惯性力是基于管道和周围流体相对加速度而引入的附加质量的贡献。拓展Morison拖曳方程，允许用户分离从稳态流引起的部分拖曳载荷和从波引起的部分拖曳载荷，然后在单个分析中独立地施加这些载荷。频率分析可以包含这些附加质量效应。,四、ABAQUS软件的inp文件介绍,类似于ANSYS软件中的参数化建模方式，我们可以通过ABAQUS的输入文件(inp)建立分析问题的计算模型、进行求解和提取结果。4.1ABAQUS的输入文件ABAQUS的输入文件由模型数据和历史数据两部分组成。模型数据定义一个有限元模型，包括单元,节点，单元性质，定义材料等等有关说明模型自身的数据。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