ABAQUS公司和软件介绍

1、ABAQUS软件公司和产品应用介绍一、ABAQUS软件公司的发展历程1972年,ABAQUS的首要创始人DavidHibbitt在布朗大学完成了Ph.D.论文，论文的一部分为基于有限元方法的计算力学内容。这期间，他和他的导师创建了一个公司，产品为他们开发的有限元软件MARC。此后，ABAQUS的另外一个创始人PaulSorensen也加入了MARC，但之后回到布朗大学继续攻读Ph.D学位。ABAQUS的另外一个创始人Dr.BengtKarlsson曾经是ControlData公司的分析工程师，由于工作的关系，他逐步对当时各种有限元程序加以熟悉并产生浓厚兴趣。1976年，他从欧洲来到美国和Hib

2、bitt一同在MARC工作。作为MARC的总工程师，Hibbitt越发意识到工业界对有限元软件有一种强烈的需求，将会成为工程师的日常工具，逐步取代传统的实验做法，但这要求对现有的程序进行大幅度修改，使之能够处理更大规模的模型，计算的可靠性和精度更高。他建议导师重写MARC的内核来适应工业领域的要求，但是他的导师当时不愿意进行这样的一笔投资。1977年，Hibbitt离开MARC开始从头编写ABAQUS。Karlsson很快加入了他。之后，已经从布朗大学博士毕业正在通用汽车公司工作的Sorensen也加入了他们的行列。Hibbitt,Karlsson&Sorensen,Inc.,(HKS)公司于

3、1978年2月1日正式成立。三个力学专家开始了一个强大工程分析工具的发展历程。HKS的第一个客户是WestinghouseHanford公司，它在华盛顿州从事核反应堆方面的开发工作。WestinghouseHanford需要进行复杂的分析，包括核燃料棒的接触、蠕变和松弛等问题。ABAQUS可以进行温度相关的蠕变、塑性以及接触建模体现了其优势，很快ABAQUS在核工业领域小有名气。ABAQUS早期的应用还包括石油、军工等其它领域。随着软件功能的不断强大，汽车公司在80年代中期开始采用ABAQUS作为复杂工程模拟的工具。此后ABAQUS的研发一直是和重要工业客户一起合作进行的，这些客户碰到的力学难

4、题，双方会一起参与来设法解决，同时不断丰富ABAQUS本身的功能。今天，ABAQUS已经被应用于各个工业领域作为核心产品的研发工具，对它求解能力的强大性和灵活性的赞誉不绝于耳。2002年底HKS公司改名为ABAQUS公司，全部业务都是进行ABAQUS软件的开发与维护。近年来公司始终保持两位数增长，2007年增长17%，2008年增长18%。目前ABAQUS全球有800名雇员，在北美、欧洲、亚太地区有40个分公司或代表处。在总部的400多名雇员中有200多人具有工程或计算机的博士学位，70多人具有硕士学位。被公认为世界上最大且最优秀的非线性固体力学研究团体。二、ABAQUS软件的发展历程ABAQ

5、US最早的产品为ABAQUS/Standard。ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。对于同时发生作用的几何、材料和接触非线性采用自动增量控制技术处理。ABAQUS拥有CAE工业领域最为广泛的材料模型，它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为。ABAQUS在1991年推出了ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Explicit是利用对时间变化的显式积分求解动力学方程。该模块适合于分析如冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件，对高度非线性问题也非常有效，包括模拟加工成形过程中接触条件改变的问题。ABAQUS

6、/Explicit和ABAQUS/Standard无缝集成，输入文件的格式相同，并可以互相传递结果数据。ABAQUS在1999年推出了ABAQUS/CAE。ABAQUS/CAE是ABAQUS有限元分析的前后处理模块，也是建模、分析和仿真的人机交互平台。该模块可以构建结构的几何模型、分配材料和截面的特性、施加载荷和边界条件、并划分网格。该模块可以进一步将生成的模型投入到后台的分析模块运行，对运行情况进行监测，并对计算结果进行后处理。ABAQUS/CAE的后处理可以对计算结果的描述和解释提供范围广泛的选择，除了通常的云图，等值线和动画显示之外，还可以用列表，曲线等其它工具来完成后处理工作。该模块的

7、许多独特功能与特点，例如CAD建模方式、参数化建模、数据管理系统等极大的方便了ABAQUS用户。ABAQUS软件已被全球工业界广泛接受，并拥有世界最大的非线性力学用户群。ABAQUS软件以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的能力，除了在广大工业用户中得到认可外，也在以高等院校、科研院所等为代表的高端用户中得到广泛赞誉。提供优质可靠的分析软件是ABAQUS公司的一贯宗旨，为此公司做了大量的人力和物力的投资。公司专门开发了优秀的产品管理软件便于产品质量及可靠幸得测试，负责质量检验的部门针对每一种新产品在不同的硬件平台上均要通过17000多道考题的测试，并且还经过某些重点用户的独立测

8、试，公司对产品的检验过程直接受到用户的监督。1996年4月，全部ABAQUS的产品通过ISO9001质量认证。ABAQUS产品一直是美国核安全局(NQA)认证(NQA-1标准)的可用于核工业首选的分析软件。美国食品和药品管理局(FDA)推荐ABAQUS作为用于植入人体的医疗器械的有限元分析软件。2003年ABAQUS软件获得由中国锅炉压力容器标准化技术委员会颁发的压力容器用计算机应用软件技术评审证书。ABAQUS软件的用户绝大部分是租赁用户，这些用户通常对产品和服务要求都是很苛刻的。ABAQUS是一个推崇技术的公司，它始终走在结构力学研究和软件化领域的前沿，它良好的品质和服务得到业界的广泛认可

9、，这也是占其用户很大比重的租赁用户一年又一年往复租用它的原因。三、ABAQUS软件的主要功能特点人机交互界面ABAQUS/CAE是ABAQUS公司新近开发的软件运行平台，他汲取了同类软件和CAD软件的优点，同时与ABAQUS求解器软件紧密结合。与其他有限元软件的界面程序比，ABAQUS/CAE具有以下的特点：采用CAD方式建模和可视化视窗系统，具有良好的人机交互特性。采用了参数化建模方法，为实际工程结构的参数设计与优化，结构修改提供了有力工具。强大的模型管理和载荷管理手段，为多任务、多工况实际工程问题的建模和仿真提供了方便。鉴于接触问题在实际工程中的普遍性，单独设置了Interaction模块

10、，可以精确地模拟实际工程中存在的多种接触和连接问题，并可以进行从零件级到系统级的分析。求解器性能比其他通用有限元软件更多的单元种类，单元种类达562种，提供了更多的选择余地，并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别。除常规结构外，可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为隐式和显式求解器无缝集成，同为ABAQUS公司的产品，单元类型和命名一致，用户可以很方面的进行两种求解方法的转化和联合运算。更多的接触和连接类型，可以是硬接触或软接触，也可以是Hertz接触（小滑动接触）或有限滑动接触，还可以双面接触或自接触。接触面还可以考虑摩擦和阻尼的情况。上述选择提供了方便地模拟密封，

11、挤压，铰连接等工程实际结构的手段。材料非线性是ABAQUS非线性分析的一种重要类型。它具有丰富的材料模型库，涵盖了弹性（包括超弹性和亚弹性）、金属塑性、粘塑性、蠕变各向异性等各种材料特性。在复合材料方面：ABAQUS允许多种方法定义复合材料单元，包括复合材料壳单元、复合材料实体单元以及叠层实体壳单元；提供基于平面应力的失效准则和基于断裂力学的开裂功能，包括最大应力、Tsai-Hill、Tsai-WuAzzi-Tsai-Hi11和最大应变等理论研究纤维、基体和界面失效以及纤维屈曲失效等失效模式；采用Rebar单元模拟纤维增强复合材料中的纤维，并可以把它们定义在独立的壳单元、薄膜单元和表面单元内部

12、再嵌入到模拟基体的实体单元中，方便用户进行灵活的建模和后处理；ABAQUS提供了壳单元到实体单元的子模型功能和壳单元到实体单元的tie约束功能，可以对复合材料局部重要区域方便地进行细节建模；用户自定义材料机械性能（UMAT）子程序可以由用户定义各种复杂的机械本构模型并使用在ABAQUS分析中，UMATs已经被广泛用于研究金属基体复合材料,固化,纤维抽拔,和其他对复合材料很重要的局部效应。在橡胶材料方面：橡胶本构模型种类齐全，达16种之多，可以模拟各种橡胶材料的特性；可以直接输入橡胶材料的实验参数，生成对应的橡胶模型，并对模型的稳定性进行检验，确定稳定收敛区间；ABAQUS目前独有的Mullin

13、效应模拟可以在橡胶的超弹性本构中考虑加载和卸载中应变能的损失，以及转化为热能的效应，为精确模拟橡胶减震性能和工作中生热情况提供了途径，资料显示相比其他通用有限元软件，考虑Mullin效应的模型在处理橡胶大变形问题中与实验结果对比更为接近；橡胶模型与接触/摩擦功能能很好地结合，能处理橡胶材料的软化、老化等问题；经长期的工程应用，ABAQUS的垫片单元(*Gasket)被公认可以方便有效地模拟橡胶垫圈密封的机理和现象，广泛用于汽车发动机等复杂机械结构的密封分析中。接头密封问题中，应力集中现象和接触效应同时存在。二阶单元模拟应力集中较精确，但不适用于模拟接触问题；一阶单元适合模拟接触问题，但模拟应力

14、集中效应不精确。ABAQUS独有的改进的(Modified)连续体单元，是二阶单元，但可以很好的处理接触问题。因此，ABAQUS可以最有效地分析解出密封问题。ABAQUS具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析热界面接触，热电耦合，摩擦生热等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、聚合物、复合材料等电子材料的热学和力学性质。ABAQUS包括51种纯热传导和热电耦合单元，83种隐式和显式完全热固耦合单元，覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类

15、型，包括一阶和二阶单元，为用户建模提供极大的方便。ABAQUS还是世界上各大汽车厂商分析发动机中热固耦合和接触问题的标准软件，如奥地利著名发动机生产商AVL在自己的发动机分析软件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作为求解器。TEMP(Ave.Crit.:75S)+9.H01e+lJZ+9.596e+02-+9.391e+02+9.185e+02+8.9tlIJe+lJZ+8.775e+02+8.570e+02+8.365e+0Z+8.160e+OZ+7.955e+02+7.749e+02+7.544e+02+7.339e+02+7.134e+02+6.929e+02+6.724e+02+6

16、.519e+02+6.313e+02+6.1Otie+0Z+5.903e+OZ-+5.69tie+OZ+5.493e+02+5.288e+02+5.083e+02+4.877e+02Step:Step-3fSTEF3.)RETURNTOAMBIENTIncrement0:StepTime=.0000E+00PrimaryVar:TEMP_DeformedVar:UDeformationScaleFactor:+1.994e+01更方便和灵活的二次开发工具。ABAQUS基于高级语言的用户子程序为用户开发自己的单元、材料和分析流程提供了强大的工具，这也是广大非线性高端用户选择ABAQUS并应用它进

17、行了大量深入的研究工作的原因。材料的剥离与失效可以在ABAQUS中得到很好的模拟，包括模拟冲击材料的双面磨损功能。另外ABAQUS的自适应网格功能为克服和补偿切割过程的大变形带来的网格奇异造成的计算误差，提供了有力的手段Fe-Safe提供了金属和非金属材料疲劳寿命预估功能。它依托于ABAQUS的求解器模块，将ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的应力分析结果根据载荷出现的几率进行数理统计和分析，得到疲劳寿命的预估值，并可以用ABAQUS/CAE的图形界面进行处理，得到用户关心的参数，有效地指导结构的疲劳设计。Fe-Safe和ABAQUS的分别是疲劳寿命计算及结构位移位

18、移分析方面的最优秀分析软件，两者的有机结合可以对机械结构疲劳设计和分析提供最佳的解决方案。Vtewport：!Model：NorwmeModule，VisualisationThermalstressesABAQUS提供的多体动力学分析功能为机械设备的操纵和传动系统等机构分析和运动过程模拟等提供了强有力的工具。在此基础上，作为功能强大的有限元分析软件，ABAQUS还可以利用子结构方法对结构运动过程中的变形和应力分布情况进行实时的模拟和分析。截止到目前，考虑非线性的机构和结构联合分析功能仍然是ABAQUS所独有的。四、主要客户及其应用情况随着研究水平提高所引发的对高水平分析工具需求的加强，ABA

19、QUS软件在各行业用户群中所占据的地位也越来越突出。电子领域是ABAQUS软件的一个重要应用领域。目前Intel、Motorola、Nokia、Toshiba、Philips等世界知名的电子企业都是ABAQUS软件的重要用户。在国内，Intel上海封装中心、Motorola北亚研究中心、Nokia投资公司、三星电子、清华大学、华中科技大学等单位均采用ABAQUS软件作为电子封装和电子器件跌落模拟的分析软件。全球大客户列表：AlcanIntelLosAlamosMTUAlstomNissanAlcoaMotorolaArcelorNokiaAutolivSiemensAlliantTechNor

20、thropGrummanAVLSnecmaBentelerTennecoBoeingNewportNewsBMWWartsilaBoschFujitsuCaterpillarPaccarEDAGHondaFaureciaKobeSteelCWESProcter&GambleGEPlasticsSumitomoMetalINAToshibaToyotaYokohomaRubber重要客户应用情况举例：英特尔Intel-CPU、内存和电路板等封装组件的设计-电子封装中的静力、热和冲击响应模拟-研发地点：美国，新加坡，马来西亚，中国诺斯罗普格鲁曼一新港NorthropGrummanNewportNe

21、ws-美国海军航空母舰和核动力潜艇设计-采用ABAQUS作为非线性和线性分析的标准-研发地点：美国卡特彼勒Caterpillar-重型机械设备和动力传动系统-ABAQUS是标准的非线性分析工具-研发地点：美国，英国和澳大利亚宝洁Procter&Gamble-消费产品和包装-多种模拟-研发地点：美国，欧洲和日本通用汽车GeneralMotors-动力系统密封性，耐久性和振动噪音分析-底盘耐久性和车身工程-研发地点：美国，德国，瑞典，澳大利亚诺基亚Noka-消费电子产品跌落分析-手机，步话机和其它手持设备-研发地点：欧洲，美国，中国洛克希德马丁LockheedMartin-非线性和线性动力学-飞机

22、机身和空间系统-研发地点：美国当前的研发合作伙伴：断裂和失效(FractureandFailure)-Boeing,CooperTire,Exxon-Mobil,Intel,Lockheed-Martin,MIT,NASA,Purdue,UnitedDefense汽车碰撞(Crashworthiness)BMWABAQUSforCatia-BMW,Boeing,Honda,PSA,Snecma汽车转向系统(AutomotiveSteeringGroup)-BMW,GM,Ford,Honda,Hyundai,Nissan流固耦合(CoupledFluid-StructureInteraction

23、)-Proctor&Gamble,Cooper,3M,Dupont,ABB,SNECMA,BAESystems,Coventor五、在华为公司的应用领域和相关成功经验机柜抗震分析：ABAQUS软件被广泛用于机械，电子，土建等领域的抗震和冲击方面的分析。在进行震动和冲击方面的应用中，ABAQUS的优势最大体现在结合了隐式求解器和显式求解器的优点：隐式求解器ABAQUS/Standard适于进行基于频域的动力学分析：自振频率提取（对大规模模型可以采用并行的Lanczos特征值提取器），模态动力学，基于模态和直接积分的稳态动力学分析，随机响应分析，响应谱分析等等。以状态进行（如考虑结构预载荷的频率提

24、取分析），通过stepbystep的分析方法来实现多步骤的分析，其中模态动力学可以考虑较弱的非线性效应。结构基础的位移，速度或加速度可以设置成随时间变化（模态动力学）或随频率变化（稳态动力学）。除此之外，Standard还提供了在时域上积分的隐式动力学分析和复频率提取分析。显式求解器ABAQUS/Explicit适于进行基于时域的动力学分析：该方法尤其适于高度非线性的震动和冲击问题的分析，如考虑塑性，接触，材料失效等效应的问题。该方法可以在时域上精确地捕捉结构的响应历程，但所消耗的计算机资源比基于模态的动力学要大许多。对于大规模模型，可以采用基于域分解的单机多CPU和多机并行（MPI）功能来加

25、速的显式积分的求解速度。由于以上两个求解器均为ABAQUS自己开发的产品，二者的结合非常紧密,其输入文件的语法格式完全一致。在前后处理模块ABAQUS/CAE中，还允许用户对同一有限元模型方便地在这两种分析方法中切换，并保留以前分析中定义好的载荷，接触，边界条件等内容，这为用户对同一个问题采用不同算法进行分析提供了方便的途径。ABAQUS还可以方便的进行子模型的分析，并且隐式和显式求解器均支持该功能。这对大规模模型的震动分析很有帮助：整体模型的网格可以比较粗进行结构整体响应的分析，而最可能发生破坏的地方局部需要进行网格加密，可以作为一个子模型单独进行分析而把整体计算的结果作为边界条件施加到子模

26、型上。ABAQUS提供了丰富的材料模型库，用户可以方便的选择包括金属，工程塑料，泡沫材料等多种材料本构模型，可以考虑材料的塑性，损伤，失效，温度相关等非线性效应，用户还可以利用ABAQUS的用户子程序的功能进一步添加自己所需要的材料模型。ABAQUS提供了丰富的单元库，其中的实体壳单元(SC8R,SC6R)可以让用户不必抽取中面就能够模拟薄壁结构的相互接触作用，并允许单元的边长比很大；修正的二阶十节点四面体单元(C3D10M)允许用户快速的划分网格并确保单元的计算精度很高；连接单元库(connectorelements)提供了广泛的机构连接方式来模拟各种机构部件之间的连接关系，如铰接，焊点，万

27、向接头等，甚至可以考虑连接单元的失效来模拟机构部件在震动和冲击作用下互相之间的脱开。ABAQUS提供了广义刚体功能，模型中的任何一部分允许是变形体，也允许是刚体，甚至是显示体(仅显示出模型的形状不参与有限元计算)，这就为大规模模型的动力学计算提供了方便的途径，用户可以仅把最关心的模型部位作为变形体，而其他部位作为刚体，当初步的分析完成后，可以再一步一步把刚体转化成变形体，最终获得符合实际的结果，该功能使得用户对分析过程的控制非常方便。热传导和热应力问题:由不同材料组成的封装组件在温度变化的环境下会产生很大的热应力，导致封装失效。ABAQUS具有强大的热固耦合分析功能,包括:稳态热传导和瞬态热传

28、导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属聚合物、复合材料等电子材料的热学和力学性质。ABAQUS包括51种纯热传导和热电耦合单元，83种隐式和显式完全热固耦合单元，覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类型，包括一阶和二阶单元，为用户建模提供极大的方便。而其他通用有限元软件对应的热分析单元数量都比ABAQUS少，如ANSYS中纯热传导和热耦合单元总计Fig.7ThefiniteelementmodelofatypicalPBGAstr

29、ucture为40种，MARC中纯热传导单元为40种，无完全热固耦合单元。右图是台湾新竹清华大学采用ABAQUS分析BGA焊点热应力和热应变的模型图。ABAQUS还是世界上各大汽车厂商分析发动机中热固耦合和接触问题的标准软件，如奥地利著名发动机生产商AVL在自己的发动机分析软件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作为求解器。右图为Ford公司采用ABAQUS分析四缸发动机盖的温度场分布云图。ABAQUS禅監e土Cs:aJ.hU1,0ejrtiFig.15She臼itstrainfrfteir10thermalcycles(withdamagemodelimplementedintoABAQU

30、S):典型应用：塑料、陶瓷、金属封装等各种封装组件在温度载荷下的变形和受力、IC芯片和基板之间的导热、封装材料界面间的热传导、板上元件的强制对流散热、散热片通过空气的辐射散热等热疲劳问题：由于受热导致的应力和应变在温度循环下会造成封装材料疲劳失效，如倒装焊中的焊点和表面贴装中的引线热疲劳问题。ABAQUS/Standard中的直接载荷循环分析功能提供了预测承受热载荷的弹塑性结构的低周热疲劳寿命。更复杂的疲劳问题可以通过ABAQUS/Safe模块来实现。右图是NEC公司和纽约州立大学Buffalo分校电子封装中心合作采用ABAQUS进行表面贴装中共晶焊点热疲劳失效分析的结果。冲击和跌落问题：深入

31、研究个人手持电子产品的冲击和跌落问题是具有挑战的工作。难点来源于：/复杂的几何体：典型的组成包括材料为（1mm厚）热塑塑料的前后薄壁外壳，两个或更多个印制电路板（PCB）、连接件、钣金片、橡胶垫、电池、金属弹簧和一个LCD显示屏，PCB板是三明治结构，由2到6个螺钉固定。/许多元件间的接触作用：各个元件置于主PCB板和前后外壳之间，由粘接剂或铆头固定，各个元件之间和内壁会发生接触。以上结构为薄壁结构，传统方法采用壳单元模拟。但从CAD软件中导入的模型中往往包括上千个表面，提取中面并划分壳单元是一个需要高技巧和丰富经验，并且非常耗费时间的工作。然而划分四面体的实体单元可以在有限元软件中自动完成，

32、并且只需要几分钟。在这样的情况下需要选择精度和可靠性都很高的四面体单元。跌落和碰撞问题一般需要采用显式动力学方法进行求解，考虑装配预应力的跌落和碰撞分析需要结合隐式和显式的方法进行求解。ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit中均提供10结点的修正四面体单元，模拟接触问题精度很高，并且两个求解器的模型可以无缝转化，这样为进行冲击和跌落分析提供了一种快捷、精确的方法。所以世界上重要手机和汽车生产商如摩托罗拉、诺基亚、宝马等都首选ABAQUS作为跌落和碰撞分析的求解器。右上两图为摩托罗拉公司手机跌落分析模型和宝马公司汽车碰2-3撞分析模型。封装制造过程模拟：各级封装组件，如圆片的划片、切边，金属封装中的钎焊、退火，塑封中焊球的回流、固化，薄膜材料涂层等过程均是复杂的机械加工过程，研究其中的制造残余应力，结构翘曲是很重要的工作。ABAQUS中强大的接触、单元生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模拟各种制造过程。下图为新加坡微电子学研究所采用ABAQUS子模型的功能研究BGA封装焊点的全局模型和研究局部细节的子模型网格图。断裂和材料失效分析：ABAQUS的断裂力学分析功能在商业求解器中是国际上公认的最强的，并且不断在客户推动下发展。此外，ABAQUS可以很方便的进行材料剪切、拉伸、屈曲