abaqus系列教程11多步骤分析 1Word下载.docx
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11.1一般分析过程
每个一般分析步都是以前一个一般分析步的结束时的变形状态作为起点，因此，模型的状态包括了在一系列一般分析步中对于定义在每个分析步中载荷的响应。
任何指定的初始条件定义了在模拟中第一个一般分析步的起始状态。
所有的一般性分析过程分享相同的施加载荷和定义“时间”的概念。
11.1.1在一般分析步中的时间
在模拟中ABAQUS有两种时间尺度。
增长的总体时间（totaltime），它贯穿于所有的一般分析步，并且是由每个一般分析步的总步骤时间的累积。
每个分析步也有各自的时间尺度（称为分析步时间（steptime）），对于每个分析步它从零开始。
随时间变化的载荷和边界条件可以以其中的任何一种时间尺度来定义。
对于一个分析的时间尺度，它的历史分解为三个分析步，每个100秒长，如图11－1所示。
图11－1对于一个模拟的分析步时间和总时间
在一般分析步中，载荷必须以总量而不是以增量的形式给定。
例如，如果一个集中载荷的值在第一个分析步中为1000N，并在第二个一般分析步中增加到3000N，那么在这两个分析步中给出的载荷量值应该是1000N和3000N，而不是1000N和2000N。
在默认情况下，所有在前面定义的载荷是传递到当前的分析步。
在当前的分析步中，你可以定义另外的载荷以及改变任何前面定义的载荷（例如，改变它的量值或失去活化（deactivate））。
任何前面定义的载荷，在当前的分析步中没有指定对其修改，它将继续遵循它的相关幅值的定义，所提供的幅值曲线是以总体时间的形式定义的；
否则，这个载荷将保持在前一个一般分析步结束时的量值上。
11.2线性扰动分析
线性扰动分析步只能应用在ABAQUS/Standard中。
线性扰动分析步的起点称为模型的基态。
如果在模拟中的第一个分析步是线性扰动分析步，则基态就是用初始条件所指定的模型的状态。
否则，基态就是在线性扰动分析步之前一个一般分析步结束时的模拟的状态。
尽管在扰动分析步中结构的响应被定义为线性，模型在前一个一般分析步中可以有非线性响应。
对于在前面一般分析步中有非线性响应的模型，ABAQUS/Standard应用当前的弹性模量作为扰动分析的线性刚度。
这个模量是对于弹－塑性材料的初始弹性模量，和对于超弹型材料的切线模量（见图11－2）；
在ABAQUS分析用户手册第andlinearperturbationprocedures”描述对于其它材料模型应用的弹性模量。
图11-2在一般非线性分析步之后的线性扰动分析步，应用切线模量作为其刚度
在扰动步中的载荷应该是足够小，这样模型的响应将不会过多地偏离切线模量所预测的响应。
如果模拟中包括了接触，则在扰动分析步中两个接触面之间的接触状态不发生改变：
在基态中闭合的点仍保持闭合，而脱离的点仍保持脱离。
11.2.1在线性扰动分析步中的时间
如果在扰动分析步后跟随另一个一般分析步，它应用在前面一个一般分析步结束时的模型的状态作为它的起点，而不是在扰动分析步结束时的模型的状态。
这样，来自线性扰动分析步的响应对模拟不产生持久的影响。
因此，在ABAQUS/Standard分析过程的总时间中并不包含线性扰动分析步的步骤时间。
事实上，ABAQUS/Standard将扰动分析步的步骤时间定义成一个非常小的量（
），这样，将它添加到总累积时间上时没有任何影响。
唯一的例外是模型动态过程（modaldynamicsprocedure）。
11.2.2在线性扰动分析步中指定载荷
在线性扰动分析步中所给定的载荷和边界条件总是在该分析步内有效。
在线性扰动分析步中给定的载荷量值（包括预设的边界条件量值）总是载荷的扰动（增量），而不是载荷的总量值。
因此，任何结果变量的值仅作为扰动值输出，不包含在基态中的变量的值。
作为简单加载历史的一个例子，包含了一般和扰动分析步，考虑如图11-3所示的弓和箭。
图11-3弓和箭的例子
分析步1可能是给弓上弦，预张拉弓弦。
分析步2是在上弦之后用箭将弦向后拉开，这样在系统中储存更多的应变能。
然后分析步3可能是一个线性扰动分析：
分析特征频率值以研究这个加载系统的固有频率。
这个分析步也可以被包含在分析步1和2之间，即在弦刚刚被张拉后，并又在拉开将要发射前，以研究弓和弦的固有频率。
接着分析步4是一个非线性动态分析，此时松开了弓弦，因此在系统中由分析步2向后张拉弓弦所储存的应变能将转换为箭的动能，并使其离开弓。
所以这个分析步继续发展了系统的非线性响应，但是此时包含了动态效应。
在这个例子中它是很明显的，每一个非线性一般分析步必须应用前一个非线性一般分析步结束时的状态作为它的初始状态。
例如，历史的动态部分没有载荷，动态响应是由于释放了储存在静态分析步中的某些应变能引起的。
这种效果在输入文件中引入了一个内在的顺序依赖关系：
非线性一般分析步是一个接着一个输入的，按照所定义事件的发生顺序，在这个序列中的适当时间插入线性扰动分析步，以研究系统在这些时间中的线性行为。
一个更复杂的载荷历史描述在图11-4中，它以在加工过程中的步骤和在不锈钢水槽的应用为例演示了分析的过程。
应用冲头、冲模和夹具将薄钢板加工形成水槽。
这个成型仿真过程包括了一组一般分析步。
典型地，分析步1可能涉及施加夹持压力，并在分析步2模拟冲压过程，分析步3将涉及移开工具，允许水槽回弹到最终的形状。
这些步骤的每一步都是一般分析步，所以将它们组合一起就模拟了一个连续的载荷历史，这里每一步的起始状态就是前一步结束时的状态。
很明显在这些分析步中包含了许多的非线性效应（塑性、接触、大变形）。
在第三步结束时，水槽上存在着由成型过程引起的残余应力和非弹性应变。
作为加工过程的直接结果，其厚度也要发生变化。
图11-4水槽制造和使用的分析步
然后安装水槽：
沿着水槽的边缘和与工作台顶部接触的部位施加边界条件。
你可能感兴趣和必须模拟水槽在各种不同载荷条件下的响应。
例如，可能需要模拟有人站在水槽上以确保水槽不会发生断裂。
因此，分析步4将采用线性扰动分析步来分析水槽对局部压力载荷的静态响应。
请记住由分析步4得到的结果将是来自水槽成型过程后的状态的扰动；
如果在这个分析步中水槽中心的位移仅有2mm，你不会感到奇怪，因为你知道从成型模拟开始后水槽的变形是远大于2mm的。
这个2mm的挠度仅仅是在成型后（即分析步3结束时）从水槽的最终构形中由人体重量引起的附加的变形。
从未变形的钢板构形度量，总的挠度是这个2mm和在分析步3结束时的变形之和。
水槽也要适应废水排水系统，因此必须模拟它对在某些频率上的简谐载荷的稳态动力响应。
因而分析步5是第二个线性扰动分析步，应用施加在排水设备接触点上的载荷，采用直接的稳态动力过程。
对于这一步的基态是前面一般分析步结束时的状态，即在成型过程（分析步3）结束时的状态。
忽略了前一个扰动分析步（分析步4）的响应。
因此，这两个扰动分析步是分离的，并独立地模拟水槽对于施加在模型的基态上的载荷的响应。
如果在分析中还包含了另外一个一般分析步，在该分析步开始时结构的条件是前一个一般分析步（分析步3）结束时的状态。
因此，分析步6将是一个一般分析步，模拟水槽盛满水的情形。
在该分析步中的响应可以是线性的，或是非线性的。
紧随着这个一般分析步，分析步7的模拟可能是重复在分析步4中的分析。
然而，在这种情况下，基态（结构在前一个一般分析步结束时的状态）是分析步6结束时模型的状态。
因此，此时的响应为水槽盛满水，而不是空水槽的响应。
因为水的质量将在很大程度上改变响应，而在分析中没有给予考虑，因此进行另一个稳态动力模拟将产生不准确的结果。
在ABAQUS/Standard中，以下的过程总是采用线性扰动分析步：
•线性特征值屈曲（lineareigenvaluebuckling）
•频率提取（frequencyextraction）
•瞬时模态的动态分析（transientmodaldynamics）
•随机响应（randomresponse）
•响应谱分析（responsespectrum）
•稳态动力分析（steady-statedynamics）
静态过程可以是一般过程或是线性扰动过程。
11.3例题：
管道系统的振动
在本例题中，你需要分析管道系统中一根长为5m管段的振动频率。
管材由钢制造，并有18cm的外直径和2cm的壁厚（见图11-5）。
图11-4管道系统被分析部分的几何尺寸
管的一端被牢固地夹住，在另一端仅能够沿轴向运动。
管道系统中这段5m长的管段可能受到频率达到50Hz的谐波载荷。
未加载结构的最低振动频率为40.1Hz，但是这个值没有考虑到施加到管道结构上的载荷对它产生怎样的影响。
为了保证这一段管不发生共振，要求你确定其所需要的工作载荷量值，以使最低的振动频率高于50Hz。
已知管段在工作时将承受轴向拉伸，从考虑4MN的载荷值开始。
由于结构的横截面是对称的，管的最低振动模态将是沿任何与管轴垂直方向的正弦波变形。
你应用三维梁单元来模拟这一段管。
分析需要一个自然频率提取过程，因此，你将应用ABAQUS/Standard作为分析工具。
11.3.1前处理——用ABAQUS/CAE创建模型
应用ABAQUS/CAE创建关于这个例题的模型。
在本手册的在线文档第A.11节“Vibrationofapipingsystem”提供了输入文件。
当通过ABAQUS/CAE运行这个输入文件时，将创建关于该问题的完整的分析模型。
根据下面给出的指导如果你遇到困难，或者如果你希望检查你的工作，则可以运行这个输入文件。
在附录A“ExampleFiles”中，给出了如何提取和运行输入文件的指导。
如果你没有进入ABAQUS/CAE或者其它的前处理器，可以人工创建关于这个问题的输入文件，关于这方面的讨论，见GettingStartedwithABAQUS/Standard：
KeywordsVersion，第10.3节“Example：
vibrationofapipingsystem”。
部件的几何形体
在Part模块中，创建一个三维的、可变形的平面线框（planarwire）部件（记住要采用略大于你的模型的最大尺寸的近似部件尺寸）。
命名部件为Pipe。
并应用CreateLines:
Connected工具绘制一条长5.0m的水平线段，绘图的尺寸按照要求以保证精确地满足长度。
材料与截面属性
管材由钢制造，采用弹性模量为200×
109Pa和泊松比为0.3。
在Property模块中，应用这些材料性质创建一种线弹性材料，命名为Steel。
由于在该模拟中要求提取特征模态和特征频率，以及对于该分析过程需要质量矩阵，所以你也必须定义钢材的密度（7800kg/m3）。
下一步是创建Pipe（管道）的轮廓（profile），命名为PipeProfile，并指定管道的外半径为0.09m和壁厚为0.02m。
创建一个Beam（梁）的截面性质（Beamsection），命名为PipeSection。
在EditBeamSection（编辑梁截面）对话框中，指定截面积分在分析过程中进行。
并将材料Steel和轮廓PipeProfile赋予截面定义。
最后，将截面PipeSection赋予到全部的几何区域。
此外，定义近似的n1方向作为矢量（0.0,0.0,-1.0）（默认），在这个模型中，实际的n1矢量将与这个近似的矢量重合。
组装件和集合
在Assembly模块里，创建一个Pipe部件的实体。
为了方便，创建包括管道的左端点和右端点的几何集合，并分别命名为Left和Right。
这些区域将以后用来对模型施加载荷和边界条件。
分析步
在这个模拟过程中，需要研究当施加4MN的拉力载荷时，钢管段的特征模态和特征频率，因而，分析将分成为两个步骤：
分析步1：
一般分析步
施加4MN拉力
分析步2：
线性扰动分析步
计算模态和频率
在Step模块中，创建一个一般静态（static，general）分析步，命名为PullI，采用下面的分析步描述：
Applyaxialtensileloadof4.0MN。
在这个分析步中，时间的实际量值将对结果产生影响；
除非在模型中包含了阻尼或率相关的材料性质，否则“时间”在静态分析过程中没有实际的物理意义。
因此，采用1.0的分析步时间。
在分析中要包括几何非线性的效果，并指定一个初始时间增量为总分析步时间的1/10。
这样导致ABAQUS/Standard在第一个增量步施加10%的载荷。
接受默认的允许增量步数目。
在加载状态下，需要计算管道的特征模态和特征频率。
因此，创建第二个分析步，应用线性扰动的频率提取过程，命名这个分析步为FrequencyI，并给出它的描述如下：
Extractmodesandfrequencies。
尽管你只对第1阶（最低阶）特征模态感兴趣，但我们还是提取了模型的前8阶特征模态。
由于要求少量的特征值，采用子空间迭代（subspaceiteraction）特征值求解器。
输出要求
由ABAUQS/CAE创建的对于每个分析步默认的输出数据要求是足够的。
你不需要创建另外的输出需求的输出数据库。
为了能够输出到重新启动文件，从主菜单栏中，选择Output-->
RestartRequests。
对于标记PullI的分析步，每10个增量步向重新启动文件写入一次数据；
对于标记FrequencyI的分析步，每个增量步向重新启动文件写入一次数据。
载荷与边界条件
进入Load模块，在第一个分析步，在钢段的右端施加一个4×
106N的拉力，这样它沿轴的正方向（整体坐标1轴）变形。
在默认的情况下，在整体坐标系中施加力。
管段在它的左端被完全夹持，另一端也被夹持；
然而，由于在这一端上必须施加轴向力，所以只约束了自由度2到6（U2，U3，UR1，UR2和UR3）。
在第一个分析步中，对Left和Right集合施加适当的边界条件。
在第二个分析步中，要求出已伸长管段的自然频率。
这不包括施加的任何扰动载荷，并从前一个一般分析步中完全地继承了固定的边界条件。
因此，在这个分析步中，你无需指定任何附加的载荷或边界条件。
定义网格和作业
在管段中播撒种子和剖分网格，采用30个均匀的空间二次管道单元（PIPE32）。
在继续下面的工作之前，从主菜单栏中，选择Model-->
Rename-->
Model-1，并重新命名模型为Original。
这个模型将作为后面的第11.5节“例题：
重新启动管道振动分析”中应用在例题讨论中的模型的基础。
在Job模块中，创建一个作业，命名为Pipe，采用如下的描述：
Analysisofa5meterlongpipeundertensileload。
将模型保存到模型数据库文件中，并提交作业进行分析。
监控求解过程；
纠正任何模拟中的错误，并调查任何警告信息的原因，当必要时采取修正的措施。
11.3.2对作业的监控
在作业运行时，点击JobMonitor。
在分析结束时，它的内容将类似于图11-6所示。
图11-6JobMonitor：
原始的管道振动分析
显示了两个分析步，与线性扰动分析步对应的时间是非常小：
频率提取过程或任何线性扰动过程都不会对模型的一般载荷历史作出贡献。
11.3.3后处理
进入Visualization模块，并打开由这个作业创建的输出数据库文件Pipe.odb。
来自线性扰动分析步的变形形状
可视化模块自动地应用在输出数据库文件中的最后一个画面。
来自这个模拟的第二个分析步的结果是管的自振振型和相应的自振频率。
绘制第1阶振型。
绘制第1阶振型：
1．从主菜单栏中，选择Result-->
Step/Frame。
显示Step/Frame对话框。
2．选择分析步FrequencyI和画面Mode1。
3．点击OK。
4．从主菜单栏中，选择Plot-->
DeformedShape。
5．应用DeformedShapePlotOptions（变形图绘图选项），在模型的变形图上迭加未变形图，并在两个图上显示节点符号。
改变节点符号的颜色为绿色和符号形状为实心圆。
6．点击自动缩放工具
，使全部画面缩放并充满图形窗。
默认的视角为等视图。
尝试旋转模型以便发现观察第1阶特征模态的最佳视角。
你旋转模型并应该能够得到类似于图11-7所示的画面。
图11-7在拉力作用下管的第1和第2阶振型
因为这是一个线性扰动分析步，未变形图是这个结构的基态形状。
这使得我们可以很容易地观察管相对于其基态的运动。
应用在提示区中的ODBFrame（输出画面）选项来绘制其它的振型形状，可以发现这个模型有多个重复的振型，这是管道具有对称横截面的结果。
某些更高阶的振动模态形状如图11-8所示。
图11-83到6阶的振型形状
与每个振型对应的自振频率将会显示在图的标题中。
当施加4MN的拉力载荷时，管的最低自振频率为47.1Hz。
拉力载荷增加了管的刚度，因而提高了这段管的振动频率。
这个最低自振频率仍是在谐振载荷的频率范围之内；
因此，当施加这个载荷时，管的共振可能是问题。
因此，你需要继续模拟并在管段上施加附加的拉伸载荷，直到发现这段管的自振频率提高到一个可接受的水平。
你可以利用在ABAQUS中的重新启动功能，在一个新的分析中继续前一个模拟分析的载荷历史，而无需重复整个分析和增加所施加的轴向载荷。
11.4重启动分析
没有必要将多步骤模拟定义在单一作业中。
实际上，一般理想的情况是分阶段运行一个复杂的模拟。
这样，在继续下一个分析阶段之前，允许你去检验结果，并确认分析是正在按照预料的情况进行。
ABAQUS的重启动分析功能（restartanalysis）允许重新启动一个模拟，并计算模型关于新增载荷历史的响应。
在ABAQUS分析用户手册的第ananalysis”中详细地讨论了重启动分析功能。
11.4.1重启动和状态文件
ABAQUS/Standard的重启动文件（.res）和ABAQUS/Explicit的状态文件（.abq）包含了继续进行前面的分析所必需的信息。
在ABAQUS/Explicit中，为了重新启动一个分析也要用到打包文件（.pac）和选择结果文件（.sel），在第一个作业完成后必须保存这两个文件。
此外，这两个产品需要输出数据库文件（.odb）。
对于大型模型，重新启动文件可能会成为很大；
当需要重新启动数据时，对于每个增量步或者间隔的数据默认地写入重新启动文件中。
因此，控制重启动数据写入的频率是非常重要的。
有时在一个分析步中允许覆盖写入重启动文件中的数据是很有用的，这意味着对于每个分析步在分析结束时仅有一组重启动数据，它对应于在每个分析步结束时的模型状态。
然而，如果由于某种原因中断了分析的过程，诸如计算机故障，分析可以从最后一次写入重启动数据的地方继续进行。
11.4.2重启动一个分析
当利用前面分析的结果重新启动一个模拟时，在模拟的载荷历史中你要指定一个特殊点，作为重新启动分析的出发位置。
然而，在重启动分析中应用的模型必须与在原始分析中到达重启动时刻所用的模型一致。
具体要求是，
•重启动分析的模型不能修改或增加任何已经在原始分析模型中定义过的几何体、网格、材料、截面、梁截面轮廓、材料方向、梁截面方向、相互作用性质，或者约束。
•类似的，它不能修改在重启动位置当时或者之前的任何分析步、载荷、边界条件、场、或者相互作用。
然而，在重启动分析模型中你可以定义新的集合（set）和幅值曲线（amplitudecurve）。
继续一个被中断的作业
重启动分析可以直接地从前面分析的指定分析步和增量步中继续进行。
如果给定的分析步和增量步并没有对应于前面分析的结束位置（例如，如果分析由于计算机故障而中断），在进行任何新的分析步之前，ABAQUS将试图完成这个原始的分析步。
在ABAQUS/Explicit中进行的某些重启动分析是简单地继续一个长的分析步（例如，它可能是由于作业超过了时间限制而中止），你可以重新启动运行这个作业，通过使用在命令行中的recover命令，给出如下：
abaqusjob=jobnamerecover
继续增加新的分析步
如果前一个分析顺利地完成，而且已经观察了结果，你希望在载荷历史中增加新的分析步，指定的分析步和增量步必须是前面分析中的最后分析步和最后增量步。
改变一个分析
有时已经观察了前面分析的结果，你可能希望从一个中间点重启动分析，并以某种方式改变余下的载荷历史，例如，增加更多的输出要求、改变载荷，或者调整分析控制。
这可能是必要的，例如，当一个分析步超过了它的最大增量步的数目时。
如果由于超过了增量步的最大数目而重新启动一个分析，ABAQUS/Standard认为这个分析是整个分析步的一部分，它会试图完成该分析步，并立刻再一次超出了增量步的最大数目。
在这种情形下，你应该说明在指定的分析步和增量步中必须中止当前的分析步，然后模拟可以用一个新的分析步继续。
例如，如果一个分析步仅允许最多20个增量步，它是少于完成这个分析步所需要的增量步数目，则需要在整个分析步的定义中定义一个新的分析步，它包括施加的载荷和边界条件，新的分析步与原始分析步中运算的规定相同，而仅作如下修改：
•应该增加增量步的数目
升级会员 