专业ABAQUS有限元建模经验笔记.doc
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基于ABAQUS的有限元分析和应用
第一章绪论
1.有限元分析包括下列步骤：
2.为了将试验数据转换为输入文件，分析者必须清楚在程序中所应用的和由实验人员提供的材料数据的应力和应变的度量。
3.ABAQUS建模需注意以下内容：
4.对于许多包含过程仿真的大变形问题和破坏分析，选择合适的网格描述是非常重要的，需要认识网格畸变的影响，在选择网格时必须牢牢记住不同类型网格描述的优点。
第二章ABAQUS基础
1.一个分析模型至少要包含如下的信息：
离散化的几何形体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。
离散化的几何形体：
模型中所有的单元和节点的集合称为网格。
载荷和边界条件：
2.功能模块：
（1）Assembly（装配）：
一个ABAQUS模型只能包含一个装配件。
（2）Interaction（相互作用）：
相互作用与分析步有关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。
（3）Load（载荷）：
载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户指定载荷和边界条件是在哪些分析步中起作用。
（4）Job（作业）：
多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。
3.量纲系统
ABAQUS没有固定的量纲系统，所有的输入数据必须指定一致性的量纲系统，常用的一致性量纲系统如下：
4.建模要点
（1）创建部件：
设定新部件的大致尺寸的原则必须是与最终模型的最大尺寸同一量级。
（2）用户应当总是以一定的时间间隔保存模型数据（例如，在每次切换功能模块时）。
（3）定义装配：
在模型视区左下角的三向坐标系标出了观察模型的方位。
在视区中的第2个三向坐标系标出了坐标原点和整体坐标系的方向（X，Y和Z轴）。
（4）设置分析过程：
（5）在模型上施加边界条件和荷载：
用户必须指定载荷和边界条件是在哪个或哪些分析步中起作用。
所有指定在初始步中的力学边界条件必须赋值为零，该条件是在ABAQUS/CAE中自动强加的。
在许多情况下，需要的约束方向并不一定与整体坐标方向对齐，此时用户可定义一个局部坐标系以施加边界条件。
在ABAQUS中，术语载荷通常代表从初始状态开始引起结构响应发生变化的各种因素，包括：
集中力、压力、非零边界条件、体力、温度（与材料热膨胀同时定义）。
可产生运动的方向称为自由度。
在ABAQUS中平移和转动自由度的标识如下图所示。
（6）模型的网格划分：
（7）材料定义：
5.比较显式与隐式过程：
6.在隐式与显式分析之间选择：
对于求解光滑的非线性问题，ABAQUS／Standard更有效；对于波的传播分析，ABAQUS／Explicit更有效。
7.在隐式与显式分析中网格加密的成本：
磁盘空间与内存需求与单元数目成正比，与单元尺寸无关；应用隐式方法对于许多问题的计算成本大致与自由度数目的平方成正比；只要网格是相对均匀的，随着网格密度的增加，显式方法比隐式方法会节省大量的计算成本。
8.小结
第三章有限单元和刚性体
有限单元是可变形的，而刚性体在空间运动不改变形状。
任何物体或者物体的局部均可以定义作为刚性体；大多数单元类型都可以用于刚性体的定义。
刚性体比变形体的优越性在于对刚性体运动的完全描述只需要在一个参考点上的最多6个自由度。
当该变形可以忽略或者对其不感兴趣时，将模型中的一个部分作为刚性体可以极大地节省计算时间，而不影响整体结果。
3.1有限单元
3.1.1单元的表征
每一个单元表征如下：
①单元族：
单元族名字中的第一个字母或者字母串表示该单元属于哪一个单元族。
S—壳（shell）单元，B—梁（beam）单元，C—实体（continuum）单元，R—刚性（rigid）单元
②自由度：
在ABAQUS中使用的关于自由度的顺序约定如下：
③节点数目与插值阶数：
④数学描述：
具有其他可供选择的公式描述的单元由在单元名字末尾的附加字母来识别，如杂交单元在其名字末尾加“H”字母标识。
⑤积分：
对于ABAQUS中的一些实体单元，可以选择应用完全积分或者减缩积分。
ABAQUS在单元名字末尾采用字母“R”来标识减缩积分单元（如果一个减缩积分单元同时又是杂交单元，末尾字母为RH）。
3.1.2实体单元
在ABAQUS中，应尽可能地使用六面体单元或二阶修正的四面体单元。
平面应变单元可以用来模拟厚结构；平面应力单元可以用来模拟薄结构；无扭曲的轴对称单元（属于CAX类单元）可模拟360度的环，适合于分析具有轴对称几何形状和承受对称载荷的结构。
所有的实体单元必须赋予截面性质，它定义了与单元相关的材料和任何附加的几何数据。
3.1.3壳单元
一般性目的的壳单元和带有反对称变形的轴对称壳单元考虑了有限的膜应变和任意大转动。
所有的四边形壳单元（除了S4）和三角形壳单元S3/S3R均采用减缩积分。
而S4壳单元和其他三角形壳单元则采用完全积分。
3.1.4梁单元
所有梁单元必须提供梁截面性质，定义与单元有关的材料以及梁截面的轮廓（即单元截面的几何）。
所有的二维梁单元仅采用轴向的应力和应变。
3.1.5
桁架单元适合于模拟铰接框架结构。
输出轴向的应力和应变。
3.2刚性体
3.2.1确定何时使用刚性体
刚性体可以用于模拟非常坚硬的部件，这一部件或者是固定的，也可以进行任意大的刚体运动。
它还可以用于模拟在变形部件之间的约束，并且提供了指定某些接触相互作用的简便放法。
使模型的一部分成为刚性体有助于达到验证模型的目的。
将部分模型表示为刚性体而不是变形的有限单元体有利于提高计算效率。
在ABAQUS/Explicit分析中，刚性体和部分刚性体单元并不影响整体时间增量，也不会显著影响求解的整体精度。
（解析刚性表面可以十分光滑，而离散刚性体本身有很多面。
）
3.2.2刚性体部件
3.2.3刚性单元
控制刚性体的规则，适合于所有组成刚性体的单元类型，包括刚性单元。
刚体单元没有单元输出变量，仅输出节点的运动。
另外，可以输出在刚性体参考点处的约束反力和反力矩。
3.5小结
第四章应用实体单元
模拟的精度很大程度上依赖于在模型中采用的单元类型。
4.1单元的数学描述与积分
4.1.1完全积分（剪力自锁引起单元在弯曲时过于刚硬。
）
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方法，而所有的楔形体、四面体和三角形实体单元可以采用完全积分。
减缩积分单元比完全积分单元在每个方向少用一个积分点。
线性减缩积分单元受弯时存在沙漏数值问题，故需合理地才有细划的网格，才可以给出可接受的结果。
建议当采用这类但愿模拟受弯载荷的任何结构时，沿厚度方向上至少应采用四个单元。
除了包含大应变的大位移模拟和某些类型的接触分析之外，二次减缩积分单元一般是最普遍的应力/位移模拟的最佳选择。
非协调模式单元对单元的扭曲很敏感，否则应考虑应用二次减缩积分单元。
当材料行为是不可压缩（泊松比=0.5）或非常接近于不可压缩（泊松比》0.475）时，采用杂交单元。
4.2选择实体单元
建议（适用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit）:
应用ABAQUS/Standard还需考虑如下建议：
4.3建模要点
Part：
大致尺寸：
取部件最大尺寸的2倍。
Property：
变形体的每个区域必须指定一个包含材料定义的截面属性。
Load：
SmoothStepAmplitude类型的幅值曲线经常用于准静态分析中。
Mesh：
在设计网格时，首先需要考虑所采用的单元类型，其次是想从模拟中得到什么类型的结果。
ABAQUS/CAE提供了三种类型的网格生成技术：
1）结构化网格划分（绿色表示区域）：
应用于特定模型拓扑，将其应用于复杂模型时需将模型分割成简单的区域。
2）扫掠网格划分（黄色表示区域）：
只限于具有特殊拓扑和几何体的模型。
3）自由网格划分（粉红色表示区域）：
可以用于任意的模型形状。
注：
橙黄色表示不能使用默认的单元类型生成网格的区域，必须被进一步分割。
Interaction：
定义接触面时，选择接触那一侧的箭头。
无摩擦接触是ABAQUS中的默认接触属性。
后处理：
研究伪应变能（artificialstrainenergy）室控制沙漏变形所耗散的主要能量。
如果伪应变能过高（控制伪应变能与实际应变能的比率低于5%），说明过多的应变能被用来控制沙漏变形了。
作用在单独节点上的载荷、边界条件或者接触约束易于产生沙漏现象。
4.4网格收敛性
粗糙的网格足以用来预测趋势和比较不同概念相互之间的表现如何不同。
一般来说，没有必要对所分析的结构全部采用均匀的细划网格。
应该在出现高应力梯度的地方采用细划网格，而在低应力梯度或应力量值不被关注的地方采用粗网格。
建议：
在开始时使用粗网格以识别高应力区的的位置，然后在该区域细分网格。
4.5小结
第五章应用壳单元
厚度小于典型结构尺寸的1/10，可以用壳单元模拟，否则用实体单元。
5.1单元的几何尺寸
在ABAQUS中具有两种壳单元：
常规的壳单元（适用于薄壳问题）和基于连续体的壳单元（适用于模拟接触问题）。
描述壳体的横截面必须要定义壳体的厚度，此外还要选择是在分析过程中还是分析开始时计算截面的刚度。
对于线弹性材料壳，选择在分析开始时计算材料刚度更为有效。
（如果选择仅在模拟开始时计算横截面刚度，那么材料行为必须是线弹性的。
）
5.2厚壳或薄壳
厚壳问题假设横向剪切变形对计算结果有重要的影响，而薄壳问题假设横向剪切变形非常小，可以忽略不计。
判断建议见P115
5.3壳的材料方向
5.4选择壳单元
5.5建模要点
后处理：
5.8小结
第六章应用梁单元
横截面的尺度小于结构典型轴向尺度的1/10，可以用梁单元模拟，否则用实体单元。
6.1梁横截面的几何形状
当梁的轮廓与梁的截面特性相关时，可以指定是在分析过程中计算界面的工程性质还是让ABAQUS预先计算它们（在分析开始时）。
选择前者可以应用于线性或者非线性的材料行为；选择后者只适用于线弹性材料行为。
6.1.2横截面方向
对于三维梁单元，见P131.
6.2计算公式和积分
ABAQUS/Standard中的三次单元（假设忽略剪切变形）不能模拟剪切变形，适合模拟相对细长构件的结构。
当壁厚是典型梁横截面尺寸的1/10时，一般的薄壁假设是有效的。
ABAQUS/Standard具有剪切变形梁单元——B31OS和B32OS，它们包括了在开口薄壁横截面中翘曲的影响。
6.3选择梁单元
6.4建模要点
Property：
定义梁截面：
先创建截面轮廓；再创建梁截面（若在分析前指定截面的积分方式，材料性质定义就可以作为截面定义的组成部分，而不需要另外给出材料的定义；若材料数据的定义是独立于截面属性的，那么通过编辑材料定义可以将密度包括在内。
）；再定义梁截面方向。
Interaction：
螺栓连接等约束，在ABAQUS中可以用多点约束、约束方程或者连接件来定义。
其中，连接件允许模拟在模型装配件中任意两点之间（或者在装配件中的任意一点与地面之间的连接。
每一个连接件必须提供一个连接件特性一顶一它的类型（类似于在单元与截面特性之间的关系）。
后处理：
对于诸如梁这样的一维单元，应用等值线图选项可以产生的“弯矩”类图形则更为有用。
6.7小结
第七章线性动态分析
如果加载时间很短或者载荷时间在性质上是动态的，必须采用动态分析。
7.1线性动态问题简介
线性问题：
小变形、线弹性材料、无接触条件。
如果在模拟中存在非
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