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《从ABAQUS在土木工程中的一个应用实例简要说下我对ABAQUS软件的认识》

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一、ABAQUS的发展

作为一种功能强大的有限元分析软件，ABAQUS在商业有限元软件中占有极其重要的位置。

从简单的线弹性问题到复杂的几何非线性和材料非线性问题均获得了广泛应用。

其有效性不论在工程应用还是在科学研究方面均得到了验证。

ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为，特别是其提供了UMAT和UEL，为研究者提供了开发平台。

二、ABAQUS功能简介

以ABAUQS6.5为例，ABAQUS安装完成后，在程序菜单出现的AEAQUS工具条下有以下几个选项:

ABAQUSCAE，ABAQUSCommand，ABAQUSDocumentation，ABAQUSLicensing，ABAQUSVerification，ABAQUSViewer，MyABAQUS，UninstallABAQUS。

经常用到的主要是前三项，为了使ABAQUS计算所涉及的文件均存储到同一目录下，运行ABAQUSCommand比较方便，在ABAQUSCommand的Dos窗口下，运行批处理文件abq651.bat，该文件存放在C：

\ABAQUS\Command目录下（假定ABAQUS安装在C盘根目录下），为了方便可将该文件另外保存为aba.bat。

该文件所包含的内容为@echooffC：

\ABAQUS\6.5.1\exec\abq651.exe%，接下来就可以运行ABAQUS不同模块了。

如Abacae进人CAE界面；ABAQUS在土木工程中的应用Abaviewer进人后处理；Abajob=wanginteractive交互式运行wang.inp文件；Abajob=wangdatacheckinteractive交互运行wang.inp文件，且仅对其进行数据检查；Abafetchjob=terzaphi_cpe8p.inp将terzaphi_cpe8p.inp解压释放到当前目录下，因为文件名字比较长，可以仿前面定义批处理文件的方式进行类似处理，如定义文件名为f.bat，其内容为Abafetchjob=terzaphi_cpe8p.inp，在当前目录下键人f并回车，即可完成文件的释放存储。

有限元软件主要由前处理、计算和后处理三部分组成，ABAQUS有限元软件也不例外。

ABAQUS/CAE由十部分构成，分别为Part,Property,Assembly,Step,Interaction,Load,Mesh,Job,Visualization和Sketch,界面左侧为与之部分对应的树状图，界面底部分别为输出窗口和Python脚本语言输人窗。

1.Part模块

ABAQUS/CAE:

Partmodule-Part-Create，可以创建313,21）Planar和Axisym-metric三种类型几何模型，几何模型的类型可以是变形体和刚体，几何属性可以为实体、壳、线和点。

这里值得注意的是轴对称问题被单独提出来进行分析，而平面应力和平面应变问题则被包含在2DPlanar中。

生成Part后，为了对Part不同部分赋予不同材料参数、接触的定义、规则网格划分等原因，往往需要对Part进行切割，切割一般需要进行两步操作才能完成，首先是定义切割平面，定义方式:

Partmodule-Tools-Datum进行定义，对于切割平面很多时候是采用Offsetfromprincipalplane（xyplane,xzplane和yzplane）,Offsetfromplane和3points。

工作平面定义完成后就可以进行切割了，切割的操作方式为:

Partmodule-Tools-Partition.

2.Property模块

该模块主要用于定义材料的本构模型，ABAQUS中封装了大量可用于土木工程的本构模型，通过Property-Material-Create-Mechanical进行定义。

完成力学定义行为并给定材料名称后，接着通过Property→Section→Create定义断面（section），建立与材料属性相关联的断面，然后通过Property→Assign→Section对不同Part或Part的不同部分（可定义为set）进行材料赋值。

这里需要强调的是对干梁单元需要通过Property→Profile→Create建立梁的几何断面，同时还要通过Property→Assign→BeamSectionOrientation对梁单元断面方向进行定义。

3.Assembly模块

任何一个结构都可以视为一个Instance，它由很多个Part构成，Part间连续、接触或通过螺栓等形式连接。

通过Assembly-Instance-Create建立由不同Part构成的In-stance，可以对Instance中的Part进行移动、旋转等操作，更主要的是可以对Instance中的Part进行布尔运算，如Assembly-.Instance-Merge/Cut，在合并操作中对相交边界有删除（Remove）和保留（Retain）两个选项，后一选项在很多时候用得更多，因为进行Merge/Cut操作后，先前的多个Part生成了一个新的Part，选择“保留”选项后可以进人到Property模块对同一Part不同部分赋予不同材料参数。

4.Step模块

进人Step-Create，分析类型（Proceduretype）有两类，其一为Linearperturbation,包括Buckle,Frequency,Static,Linearpertubation和Steady-statedynamics,Direct四部分，应用更多的是频率的计算和振型的提取；其二为General，几乎包含了所有的分析类型，具体包含Coupledtemp-displacement，用干温度位移场的祸合分析，如热辐射使结构温度升高，因变温而使受约束结构产生温度应力；Coupledthermal-electric，主要用于压电材料的分析;Dynamic,Implicit，隐式动力分析；Dynamic,Explicit，显式动力分析；Dynamic,Temp-disp,Explicit，显式温度位移分析;Geostatic，地应力场计算，在岩土工程中地应力场的准确确定决定了后继计算结果的有效性；Heattransfer，热传导计算分析；Massdiffusion；Soils，土的固结分析；Static,General，一般的静力分析；Static,Riks，弧长法静力分析；Visco，粘弹性及蠕变分析。

荷载步中增量步分为两种:

自动增量法和固定时间增量法，同时在荷载步中要给出最大迭代次数等参量。

5.Interaction模块

结构中各个构件间的连接形式千差万别，连接形式对结构在外荷载作用下响应的影响至关重要。

在该模块中，主要包含四部分，具体为Interaction,Constraint,Connector,SpecialoInteraction-Interaction-Property，定义接触面间的接触属性，包括定义摩擦系数等参量;由Interaction-Interaction-Create创建由接触面和目标面构成的接触对，应用最多的是Surface-to-surfacecontact接触问题，如结构物与土之间的接触问题。

由Interaction-Constraint-Create建立Tie,Coupling,Shell-to-solidcoupling,Em-beddedregion,Equation等约束条件，其中Tie约束适用于约束面间网格划分不一致但变形又连续的情况。

而Embeddedregion功能可能模拟加筋对基体的增强功能，如钢筋混凝土实体结构（不是采用壳或梁进行模拟），分别创建钢筋和混凝土模型，然后将钢筋埋置到混凝土结构中去。

Interaction-Connector-Create，主要用于构件间的U型连接、焊接、铰接等连接的模拟，这一点在机械工程中具有重要的应用价值。

Interaction-Special-Inertia，用于定义结构中的集中质量和惯性矩，这主要应用在悬索桥梁及高层建筑的地震分析中。

Interaction-Special-Crack，用于定义结构中的裂纹及裂尖，为后继网格划分生成奇异单元奠定基础。

Interaction-Special-Spring/Dash-pot，定义弹簧和阻尼器。

6.Mesh模块

网格划分前需要对Part定义种子（Seeds），通过Mesh→Seed→EdgeByNumber（EdgeBySize,EdgeBiased）完成种子的定义，对几何模型的边可以均匀划分，也可按等比数列进行划分。

具体划分的数目和方法要通过数值模拟试验确定，最终与理论解或试验结果进行对比以确定经济合理的网格划分规模。

7.Job模块

通过Job→Job→Create创建Job的名字，分析完成后存储的相关文件的主文件名均为该Job名字。

在Submission中包含TJobtype,RunMode和SubmitTime；在General下主要是Usersubroutinefile的选择;在Memory下主要是内存的划分;Parallelization设置并行计算的一些内容；Precision定义问题分析的精度。

8.Visualization模块

后处理部分主要包括变形图显示（Visualization→Plot→Deformedshape），输出变量的云状图（Visualization→Plot→Contours）.输出结果包括场变量输出（Visualization-Result-Fieldoutput）和与时间有关的变量的输出（Visualization→Result→Historyoutput）.也可以将后处理结果导出到外部文件中去（Visualization→Report→XY,Fieldout→put），以便进一步编辑和处理。

9.Sketch模块

通过该模块可以生成轮廓线或由外部文件导人生成轮廓线，对于土木工程来说，用得比较多的是Autocad绘图软件，在Autocad中生成的二维线转存为扩展名为DXF的文件，然后在ABAQUS/CAE下选择File→Import→Sketch就可导人到Sketch模块中。

在创建Part时进人到Sketch界面下，由Sketch→Add→Sketch就可以将先前由Autocad导人的Sketch显示于当前界面下，进而创建所需要的Part。

三，ABAQUS在土木工程中的一个应用实例（混凝土结构动力分析）

混凝土坝的地震响应分析

本算例为Koyna坝，该坝在1967年12月11日受到6.5级地震荷载作用。

采用混凝土损伤塑性材料模型评价在任意荷载作用下混凝土结构的稳定性和损伤情况。

本算例已被很多研究者进行过研究，包括ChopraandChakrabarti（1973）和LeeandFenves（1998）等。

本算例引自B2.1.15a

1.问题描述

浇筑而成的Koyna坝似一独块巨石，其几何形状如图12.1.1所示

图12.1.1Koyna坝几何模型及尺寸

坝体高103m，基底宽71m。

坝体迎水面假定铅直，与实际情况稍稍有一点差别。

地震发生时的蓄水高度h,=91.74m。

采用二维平面应力有限单元法进行模拟研究。

有限元网格如图12.1.2所示，它由一阶缩减积分平面应力单元（CPS4R）构成。

在整体笛卡儿坐标系下定义结点，该坐标系位于坝体最左下角，y坐标方向向上，二坐标指向下游。

在Koyna地震中记录的横向和竖向地震加速度分量如图12.1.3所示（单位为g,g=9.81m/s2）。

在地震荷载作用发生前.坝体首先受到自重及上游静水压力的作用。

因本文主要考虑混凝土损伤塑性材料模型的有效性，所以分析过程中对坝体与地基的作用予以简化，假定地基刚性。

因横向地动使坝体与蓄水的动力相互作用可采用Westergaard附加质量技术实现。

根据Westergaard（1933）的研究成果，在有地震荷载作用时，作用于坝体上的动水压力由部分水前后运动所施加而蓄水池中的其他水体不产生运动。

上游墙面单位面积上的附加质量可由方程下面方程近似给出式中，

p,=1000kg/m'为水的质量密度。

在ABAQUS/Standard分析中，采用两结点用户单元模拟动水作用，具体通过用户子程序UEL完成。

在ABAQUS/Explicit显式动力分析中忽略坝体与蓄水之间的相互作用。

由大地竖向运动所产生的动水压力一般认为较少，所以分析过程中忽略不计。

2.材料参数

混凝土材料的力学行为采用混凝土损伤塑性本构模型进行模拟。

模拟中采用的材料参数见表12.1.1。

为了获得采用损伤塑性本构模型，有些材料参数的取值进行了假定。

人们最关心混凝土材料拉伸材料参数。

拉伸强度一般估计为极限压强度（a_=24.1MPa）的1000，该拉伸强度需要乘以一个1.2的动力放大系数以考虑材料参数的应变率的依赖性。

因此，a,o=2.9MPa。

为了避免因为结构中没有配钢筋而产生不合理的网格依赖性计算结果，混凝土拉伸的后继破坏行为通过定义应力一位移关系曲线而不是应力~应变关系曲线来定义断裂能开裂准则。

这种定义方式采用命令，CONCRETETENSIONSTIFFENING,TYPE=DISPLACEMENT完成。

采用，CONCRETETENSIONDAMAGE,TYPE=DISPLACEMENET，定义拉伸损伤因子为开裂位移的函数形式。

压缩损伤因子假定为零，即不考虑压损伤。

3.阻尼

4.加荷和计算过程控制

（1）ABAQUS/Standard分析

在进行地震响应分析之前，坝体受到自重荷载和静水压力的作用。

这两种荷载对坝体的作用通过两个连续的静载步完成，第一荷载步采用二DLOAD命令中GRAV选项，第二荷载步采用二DLOAD命令中HP选项。

第三步进行地震荷载作用下的动力分析，横向和竖向地震加速度响应如图12.1.3所示，两个方向的地震加速度施加于坝体的底层结点上。

因为地震荷载作用下，坝体将产生明显的非线性，同时还包括因为混凝土开裂可能引发的不稳定区域的存在，从而在采用ABAQUS/Standard模块分析时的整个收敛计算结果非单调。

在这种情况下，采用二CONTROLS命令，并设置ANALYSIS=DISCON-TINUOUS选项能够避免因计算结果可能发散而导致平衡迭代过早中止。

在命令二STEP中设置UNSYMM=YES，从而激活非对称矩阵存储和计算。

采用非关联塑性流动法则的混凝土损伤塑性本构模型时，这种设置能得到可接受的收敛速度。

在进行地震响应分析中采用自动时间步长算法，半步残差设定为HAFTOL=10'，最大时间增量为0.02so

（2）ABAQUS/Explicit分析

采用ABAQUS/Standard进行准静态分析很有效，因此在采用ABAQUS/Explicit进行地震分析之前，采用ABAQUS/Standard进行自重加载和静水压力加载分析.然后将计算结果导人到ABAQUS/Explicit模块中进行地震响应分析。

在进行地震响应分析时，自重荷载和静水压力荷载一直作用于坝体上。

ABAQUS/Explicit中的自重荷载施加方式与ABAQUS/Standard模块中的施加方式完全相同.但静水压力在ABAQUS/Ex-plicit并不能直接施加于坝体上，需要进行一些处理，可采用子程序VDLOAD来完成静水压力的加载。

ABAQUS/Explicit模拟时需要很多增量步，因为稳定时间增量步（（6Xlo-l's）远小于地震荷载持续的总时间（los）。

分析时采用双精度以避免舍人误差，通过对质量放大来增加时间稳定极限值，但是这会对结构的动力响应产生影响。

此处不讨论该5.计算结果与分析

（1）ABAQUS/Standard计算结果

没有蓄水时坝体的频谱分析可得到坝体自振频率，见表12.1.2。

前四阶自振频率与ChopraandChakrabarti（1973）给出频率值吻合。

正如前面探讨所指出的.频率分析是为了标定地震响应中所用到的材料阻尼。

拉伸应力与开裂位移关系如图12.1.4所示，由图可知，随着开裂位移的增大，混凝土所能承受的拉伸应力逐渐减小。

图12.1.5给出了拉伸损伤因子与开裂位移关系曲线，由图可知，随着开裂位移的增加，拉伸损伤因子呈非线性增大。

图12.1.3水平方向和竖直方向地震加速度随时间变化.

图12.1.5开裂位移与拉伸损伤因子的关系曲线

图12.1.6给出了坝顶左角点相对于大地的水平向位移响应，图中的两条曲线分别为考虑和不考虑蓄水对坝体的动力作用得到的结果，图中的正值表示向下游方向的位移。

由图可知，当地震荷载作用时间大于4s后，考虑水的动力作用时，向下游动位移大于不考虑水动力作用时的位移，而向上游位移规律则相反。

坝顶位移在地震发生的前4秒内均小于30mm。

过了4秒.坝顶的摆动位移增长较快，这是由于坝体振动过程中结构产生了严重损伤。

坝体受到自重及静水压力作用后，即在第二荷载步结束后，混凝土材料保持为弹性无损伤状态。

坝体损伤发生于第三步地震分析荷载步。

在地震荷载作用下.混凝土坝体在两个不同时间点t,=3.982s和t==los时的拉伸损伤演化情况如图12.1.7所示。

当地震结束时即时间为los时，坝体中上部的损伤区连成一片，此时的状态最为危险。

（2）ABAQUS/Explicit计算结果

图12.1.8给出T分别通过ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit计算得到的坝段左角点的水平向动位移响应，两种计算得到的结果有一定的差异。

图12.1.9给出了ABAQUS/Explicit模拟的拉伸损伤因子分布。

在地震荷载作用下，出现了两种裂纹:

一个位于坝体底部;一个位于下游变坡点处。

对比时间点los的ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的预测结果，ABAQUS/Standard额外预测出了上游面局部损伤区。

模拟结果不同于坝体与蓄水的动力相互作用，在ABAQUS/Standard是通过附加质量用户单元实现的，而在ABAQUS/Ex曲cit中忽略了坝体蓄水间的动力相互作用。

四、小结

1）在结构间题中有三种非线性的来源:

材料、几何和边界（接触）。

在ABAQUS的分析中可以出现这些因素的任意组合。

2）只要位移的量级影响到结构的响应，就发生了几何非线性。

它包括大位移和大转动、突然翻转及载荷刚度的效应。

3）在ABAQUS/Standard，应用Newton-Raphson方法迭代求解非线性问题。

非线性间题比线性间题所需要的计算机资源要多许多倍。

4）ABAQUS/Explicit不需要进行迭代以获得解答;但是，因为几何变化很大，由稳定时间增量的减小可能导致计算成本上升。

5）一个非线性分析步可以分为许多增量步。

6）ABAQUS/Standard通过迭代，在每一个新的载荷增量步结束时近似地达到静力学平衡。

ABAQUS/Standard在整个模拟中应用收敛控制来控制载荷的增量。

7）ABAQUS/Explicit通过从一个增量步前推出下一个增量步的动力学状态来确定解答，与在隐式方法通常采用的增量步比较，它采用更小的时间增量步。

稳定时间增量限制了增量步的值。

在默认情况下，ABAQUS/Explicit自动地完成增量步的确定。

8）在每个增量步结束时可以保存结果，因此结构响应的演化可以显示在Visualiza-tion模块中。

结果也可以用X-Y曲线图的形式绘出。

9）在选择单元类型时还应该注意：

（a）对于应力集中问题，尽量不要使用线性减缩积分单元，可使用二次单元来提高精度。

如果在应力集中部位进行了网格细化，使用二次减缩积分单元与二次完全积分单元得到的应力结果相差不大，而二次减缩积分单元的计算时间相对较短。

（b）对于弹塑性分析，如果材料是不可压缩性的（例如金属材料），则不能使用二次完全积分单元，否则会出现体积自锁问题，也不要使用二次Tri或Tet单元。

推荐使用的是修正的二次Tri或Tet单元、非协调单元以及线性减缩积分单元。

（c）如果模型中存在接触或大的扭曲变形，则应使用线性Quad或Hex单元以及修正的二次Tri或Tet单元，而不能使用其它的二次单元。

（d）对于以弯曲为主的问题，如果能够保证在所关心的部位的单元扭曲较小，使用非协调单元可以得到非常精确的结果。

（e）除了平面应力问题之外，如果材料是完全不可压缩的（如橡胶材料），则应使用杂交单元；在某些情况下，对于近似不可压缩材料也应使用杂交单元。

（f）壳单元类型及选择原则

如果一个薄壁构件的厚度远小于其典型结构整体尺寸（一般为小于1/10），并且可以忽略厚度方向的应力，就可以用壳单元来模拟此结构。

壳体问题可分两类：

薄壳问题（忽略横向剪切变形）和厚壳问题（考虑横向剪切变形）。

对于单一各向同性材料，一般当厚度和跨度的比值小于1/15时，可以认为是薄壳；大于1/15时，则可以认为是厚壳。

对于复合材料，这个比值要更小一些。

按薄壳和厚壳分为：

通用壳单元和特殊用途壳单元。

前者对薄壳和厚壳均有效;按单元定义方式可分为：

常规壳单元和连续体壳单元。

前者通过定义单元的平面尺寸、表面法向何初始曲率来对参考面进行离散，只能在截面属性中定义壳的厚度，不能通过节点来定义壳的厚度。

后者类似于三维实体单元，对整个三维结构进行离散。

选择原则：

（a）对于薄壳问题，常规壳单元的性能优于连续体单元；而对于接触问题，连续体壳单元的计算结果更加精确，因为它能在双面接触中考虑厚度的变化。

（b）如果需要考虑薄膜模式或弯曲模式的沙漏问题，或模型中有面内弯曲，在ABAQUS/Standard中使用S4单元可获得很高的精度。

（c）S4R单元性能稳定，适用范围很广。

（d）S3/S3R单元可以作为通用壳单元使用。

由于单元中的常应变近似，需要划分较细的网格来模拟弯曲变形或高应变梯度。

（e）对于复合材料，为模拟剪切变形的影响，应使用适于厚壳的单元（例如S4、S4R、S3、S3R、S8R），并要注意检查截面是否保持平面。

（f）四边形或三角形的二次壳单元对剪切自锁或薄膜自锁都不敏感，适用于一般的小应变薄壳。

（g）在接触模拟中，如果必须使用二次单元，不要选择STRI65单元，而应使用S9R5。

（h）如果模型规模很大且只表现几何线性，使用S4R5单元（线性薄壳单元）比通用壳单元更

节约计算成本。

（i）在ABAQUS/Explicit中，如果包含任意大转动和小薄膜应变，应选用小薄膜应变单元。

总之，ABAQUS作为一个功能较强的有限元软件，不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，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，对于土木专业的学生尤其是我们水工专业的学生，能熟练掌握运用这门软件是非常有用的。