ABAQUS上机指导手册.docx
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ABAQUS上机指导手册
产品虚拟设计综合实验
上机指导书
（ABAQUS篇）
南京理工大学
2009年12月
1引言3
2ABAQUS软件3
2.1ABAQUS分析步骤3
2.2ABAQUS/CAE简介4
2.3单位制5
3上机实验1——平面问题应力集中分析6
3.1问题描述6
3.2目的和要求6
3.3操作步骤6
3.4上机报告要求16
4上机实验2——工字梁的模态分析17
4.1问题描述17
4.2目的和要求17
4.3操作步骤17
4.4上机报告要求21
5上机实验3——瞬态动力学分析22
5.1问题描述22
5.2目的和要求22
5.3操作步骤22
5.4上机报告要求30
1引言
本篇是《产品虚拟设计综合实验》的第二部分——基于ABAQUS的机械产品性能分析。
通过上机，掌握ABAQUS软件的使用方法，学会利用有限元法分析工程问题，为将来在设计和研究中利用该类大型通用CAD/CAE软件进行工程分析奠定初步基础。
本手册涉及ABAQUS软件的静态分析、模态分析和动态分析。
2ABAQUS软件
ABAQUS是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线性模拟问题。
ABAQUS具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库，并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能。
作为通用的模拟分析工具，ABAQUS不仅能解决结构分析中的问题（应力/位移），还能模拟和研究其它各种领域中的问题，如热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热——电耦合分析）、声学分析、土壤力学分析（渗流——应力耦合分析）和压电介质力学分析等。
2.1ABAQUS分析步骤
有限元分析包括以下三个步骤：
前处理、分析计算和后处理，这三个步骤在ABAQUS/CAE中的实现方法如下。
1）前处理（ABAQUS/CAE）
在前处理阶段需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件。
ABAQUS/CAE是完整的ABAQUS运行环境，可以生成ABAQUS模型、交互式地提交和监控分析作业，并显示分析结果。
ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个模块定义了模拟过程的一个方面，例如，定义几何形状、材料性质和网格等。
建模完成后，ABAQUS/CAE可以生成ABAQUS输入文件，提交给ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit。
2）分析计算（ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit）
在分析计算阶段，使用ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，通常以后台方式运行，分析结果保存在二进制文件中，以便于后处理。
完成一个求解过程所需的时间取决于问题的复杂程度和计算机的运算能力．可以从几秒到几天不等。
3）后处理（ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer）
ABAQUS/CAE的后处理部分又称为ABAQUS/Viewer，可以用来读入分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云图、动画、变形图和XY曲线图等。
2.2ABAQUS/CAE简介
ABAQUS/CAE的主窗口包括以下组成部分，如图2.1所示。
图2.1ABAQUS/CAE的主窗口
1）标题栏（titlebar）
标题栏显示了ABAQUS/CAE的版本和当前模型数据库的名称。
2）环境栏（contextbar）
ABAQUS/CAE包括一系列功能模块（module），其中每一模块完成模型的一种特定功能。
通过环境栏中的Module列表，可以在各功能模块之间切换。
环境栏中的其它项则是当前正在操作模块的相关功能。
例如，在Part功能模块中，可以通过环境栏切换不同的部件。
3）工具栏（toolbar）
工具栏提供了菜单功能的快捷访问方式，这些功能也可以通过菜单直接访问。
4）主菜单（menubar）
菜单栏中包含了所有当前可用的菜单，通过对菜单的操作，可以调用ABAQUS/CAE的全部功能。
用户选择不同的功能模块时，菜单栏中所包含的菜单项也会有所不同
5）模型树（modeltree）
模型树直观地显示出模型的各个组成部分，如部件、材料、分析步、载荷和输出要求等。
使用模型树可以很方便地在各功能模块之间进行切换，实现主菜单和工具栏所提供的大部分功能。
6）工具区（toolboxarea）
当用户进入某一功能模块时，工具区就会显示该功能模块相应的工具，帮助用户快速调用该模块的功能。
7）画布和作图区（canvasanddrawingarea）
用户可以在这个区域中摆放视图（viewport）。
8）视图区（viewport）
模型显示在视图区中。
9）提示区（promptarea）
在进行各种操作时，会在这里显示相应的提示。
10）信息区（messagearea）
信息区中显示状态信息和警告。
这里也是命令行接口（commandlineinterface）的位置。
通过主窗口左下角的选项页，可以在二者之间切换。
11）命令行接口（commandlineinterface）
利用ABAQUS/CAE内置的Python编译器，可以使用命令行接口键入Python命令和数学计算表达式。
2.3单位制
ABAQUS本身没有单位系统，在建模时必须采用一致的单位系统，如表2.1所示。
在输入弹性模量和密度时，一定要注意所采用的单位系统。
本书中采用表2.1中的第二种单位系统。
表2.1一致的单位系统
量
长度
力
应力
质量
密度
国际单位制
m
N
Pa（N/m2）
kg
kg/m3
国际单位制（mm）
mm
N
MPa（N/mm2）
tonne（103kg）
tonne/mm3
3上机实验1——平面问题应力集中分析（选做）
3.1问题描述
一个正方形板，边长L=200mm，中心有一小孔，直径D=10mm，左右边受均布拉伸载荷，面力集度q=1
，如图3.1所示。
材料参数：
弹性模量
，泊松比
，为平面应力模型。
当边长L为无限大时，x=0截面上理论解为：
其中R为圆孔半径，r为截面上一点距离圆心的距离。
x=0截面上孔边（
）应力
，所以理论应力集中系数为3.0。
图3.1带孔平板的分析模型
3.2目的和要求
掌握平面问题的有限元分析方法和对称性问题建模的方法。
通过简单的力学分析，可以知道该问题属于平面应力问题，基于结构和载荷的对称性，可以只取模型的1／4进行分析。
用8节点四边形单元分析x=0截面上
的分布规律和最大值，计算圆孔边的应力集中系数，并与理论解对比。
3.3操作步骤
3.3.1启动ABAOUS/CAE
[开始][程序][ABAQUS6.7-1][ABAQUSCAE]。
启动ABAQUS/CAE后，在出现的StartSession（开始任务）对话框中选择CreateModelDatabase（创建新模型数据库）。
3.3.2创建部件
在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中，可以看到模块列表Module：
Part，这表示当前处在Part（部件）功能模块，可按照以下步骤来创建带孔平板的几何模型。
（1）创建部件点击左侧工具区中的
（Createpart），弹出如图3.2所示的CreatePart对话框。
在Name（部件名字）后面输入Plate，将ModelingSpace（模型所在空间）设为2DPlanar（二维平面），将Approximatesize设置为200，其余参数不需改变。
点击Continue。
（2）绘制圆弧ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区内显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即为X轴和Y轴，二者相交于坐标原点。
图3.2CreatePart对话框图3.3二维几何模型
选择绘图工具箱中的圆弧工具
，窗口底部的提示区显示“PickaCenterpointfortheArcorenterX，Y”（点击圆弧的中心点，或输X、Y坐标）。
在视图区中移动鼠标时，鼠标会自动对齐栅格点，视图区左上角会显示出鼠标当前位置的坐标。
点击视图区正中间的坐标原点（0，0），作为圆弧中心。
此时窗口底部的提示区信息变为“pickastartpointforthearc—orenterX，Y”（点击圆弧的起始点，或输入X、Y坐标），而且随着鼠标的移动，圆弧的形状也随之显现出来。
点击坐标为（0，5）的位置作为圆弧起点，再点击坐标为（5，0）的位置作为圆弧终点，这样就完成了对1／4圆孔的绘制。
☆提示：
如果绘图过程中操作有误，可以点击绘图工具箱中的撤销工具
来撤销上一步操作，也可以使用删除工具
来删除错误的几何图形，具体操作步骤如下：
（a）点击绘图工具箱中的删除工具。
（b）在所绘图形中点击要删除的线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线。
如果想选择多条线，可以在点击此线的同时按住Shift键，或者按住鼠标左键不放，在视图区中画出一个矩形框，选中框内的线。
如果想取消对某条线的选择，可以在点击此线的同时按住Ctrl键。
（c）在视图区中点击鼠标中键，或点击窗口底部的提示区中的Done（完成），被选中的线即被删除。
（d）根据需要，重复步骤（b）和（c）。
（e）在视图区中点击鼠标中键，或点击提示区中的Done。
结束对删除工具的使用。
☆提示：
——同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标右键（或者点击顶部工具栏中的
），然后拖动鼠标，就可以缩放模型。
——同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标中键（（或者点击顶部工具栏中的
），然后拖动鼠标，就可以平移模型。
——同时按住Ctrl键、Alt键和鼠标左键（或者点击顶部工具栏中的
），然后拖动鼠标，就可以旋转模型。
——点击窗口顶部工具栏中的
，然后拖动鼠标，可以放大模型的局部。
——点击窗口顶部工具栏中的
，可以使模型充满屏幕。
——点击主菜单中的ViewToolbarsView，弹出试图工具栏
，可以选择不同的视图。
（3）绘制直线选择绘图工具箱中的画线工具
，依次点击坐标为（0，5）、（0，100）、（100，100）、（100，0）和（5，0）的位置，在视图区中点击鼠标中键结束画线操作，完成如图3.3所示的二维模型。
再次点击鼠标中键退出画线工具，最后再一次点击鼠标中键退出绘图环境，视图区中显示出完成后的部件。
（4）保存模型在进行下一步之前．点击窗口顶部工具栏中的
来保存所建的模型。
键入一个文件名xiti_plate，ABAQUS/CAE会自动加上后缀名.cae。
3.3.3创建材料和截面属性
在窗口左上角的Module（模块）列表中选择Property（特性）功能模块，如图3.4所示。
按照以下步骤来定义材料。
图3.4选择功能模块
（1）创建材料点击左侧工具区中的
（CreateMaterial），或在主菜单中选择MaterialCreate，弹出EditMaterial对话框。
在Name（材料名称）后面输入Steel，点击此对话框中的Mechanical（力学特性）Elasticity（弹性）Elastic（弹性）。
在数据表中设置Young’sModulus（弹性模量）为210000，Poisson’sRatio（泊松比）为0.3，其余参数不需改变（如图3.5所示），点击0K。
图3.5定义材料图3.6定义截面
（2）创建截面属性点击左侧工具箱中的
（CreateSection），弹出CreateSection对话框，按如图3.6设置参数，点击Continue。
在弹出的EditSection对话框。
保持默认参数不变（Material：
Steel；Planestress/strainthickness：
1），点击OK。
☆提示：
平面应力问题的截面属性是Solid（实心体），而不是Shell（壳）。
（3）给部件赋予截面属性点击左侧工具区中的
（AssignSection），或在主菜单中选择AssignSection，点击视图区中的平板模型，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的实体边界，在视图区中点击鼠标中键，弹出EditSectionAssignment对话框，点击OK。
3.3.4定义装配件
整个分析模型是一个装配件，即使一个零件也要建一个装配件。
前面在Part功能模块中创建的各个部件将在Assembly功能模块中装配起来。
具体操作方法是：
在窗口左上角的Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。
点击左侧工具区中的
（InstancePart），。
在弹出的CreateInstance对话框中（如图3.7所示），前面创建的部件Plate自动被选中，InstanceType默认参数为：
Dependent（meshonpart），点击OK。
图3.7把实体加入装配体图3.8创建载荷
3.3.5设置分析步
ABAQUS/CAE会自动创建一个初始分析步（initialstep），可以在其中施加边界条件。
用户还必须自己创建后续分析步（analysisstep），用来施加载荷。
具体操作方法是：
在窗口左上角的Module列表中选择Step（分析步）功能模块。
点击左侧工具区中的
（CreateStep）。
在弹出的CreateStep对话框中，在Name后输入ApplyLoad，其余参数保持默认值（Proceduretype：
General；选中Static，General），点击Continue。
在弹出的EditStep对话框中，保持各参数的默认值，点击OK。
3.3.6定义边界条件和载荷
在窗口左上角的Module列表中选择Load（载荷）功能模块，定义边界条件和载荷。
（1）施加载荷点击左侧工具区中的
（CreateLoad）。
在弹出CreateLoad对话框中（见图3.8），将TypesforSelectedStep（所选分析步的载荷类型）设为Pressure，其余参数保持默认值，点击Continue。
图3.9设置载荷3.10创建位移边界条件
此时窗口底部的提示区信息变为“Selectsurfacesfortheload”，点击平板的右侧边界线，ABAQUS/CAE以红色高亮度显示被选中的线，在视图区中点击鼠标中键。
在弹出的EditLoad对话框中（见图3.9），在Magnitude后面输入–1，然后点击OK。
☆提示：
载荷类型Pressure的含义是单位面积上的力，正值表示压力，负值表示拉力。
（2）定义平板左边上的对称边界条件点击左侧工具区中的
（CreateBoundaryCondition），弹出CreateBoundaryCondition对话框中（见图3.10），在Name后面输入Fix-X，将Step设为Initial，TypesforSelectedStep选择Displacement/Rotation，其余各项参数保持默认值，点击Continue。
点击平板的左侧边界线，在视图区中点击鼠标中键。
在弹出的EditBoundaryCondition对话框中（图3.11），设置U1=0（X方向平动位移为0，其它方向自由），然后点击OK。
图3.11约束左边直线边界图3.12施加载荷和边界条件后的模型
（3）定义平板底边上的对称边界条件同步骤
（2），在CreateBoundaryCondition对话框中，Name后面输入Fix-Y，将Step设为Initial，TypesforSelectedStep选择Displacement/Rotation，其余各项参数保持默认值，点击Continue。
点击平板的底边界线，在视图区中点击鼠标中键。
在弹出的EditBoundaryCondition对话框中，设置U2=0（Y方向平动位移为0，其它方向自由）。
施加约束和边界条件之后的模型如图3.12所示。
3.3.7划分网格
在窗口左上角的Module列表中选择Mesh（网格）功能模块，在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Part：
Plate（见图3.13），即为部件Plate划分网格，而不是为整个装件划分网格。
图3.13把划分网格的对象设为Part：
plate
（1）设置总体种子在左侧工具区中点击
，弹出GlobalSeed对话框，Approxiateglobalsize后输入5，如图3.14所示，点击OK。
（2）修改圆弧边种子在左侧工具区中的
上按住鼠标左键不放，显示出一组图标（如图3.15所示），在其中选择
（SeedEdge：
byNumber）。
点击圆弧，在视图区中点击鼠标中键，在窗口底部的提示区中设置NumberofElementsalongtheedges：
8（边界线上的单元数为8），再次在视图区中点击鼠标中键，视图区中的模型将如图3.16所示。
图3.14设置全局种子图3.15图标选择
图3.16模型的种子分布图3.17网格控制参数
（3）设置网格控制参数点击左侧工具区中的
（AssignMeshControls），弹出MeshControls（网格控制参数）对话框，将ElementShape设为Quad，Techniques设为Structured，如图3.17所示，其余参数保持默认值，点击OK。
图3.18设置单元类型图3.19网格的生成
（4）设置单元类型点击左侧工具区中的
（AssignElementType），弹出ElementType对话框，如图3.18所示。
将GeometricOrder（几何阶次）设为Quadratic（二次单元）．取消对Reducedintegration（减缩积分）的选样，其余参数保持默认值，看到对话框中提示当前单元类型为CPS8：
A8-nodebiquadraticPlantstressquadfilateral（8节点双二次平面应力四边形单元），点击OK。
（5）划分网格点击左侧工具区中的
（MeshPartInstance），窗口底部的提示区显示“OKtomeshthepartinstance？
”（为实体划分网格？
），点击Yes，得到如图3.19所示的网格。
3.3.8提交分析作业
在窗口左上角的Module列表中选择Job（分析作业）功能模块。
（1）创建分析作业点击左侧工具区中的
（JobManager），弹出JobManager对话框，点击Create（创建新的作业），在Name后面输入Plate-CPS8，点击Continue，弹出EditJob对话框，各参数保持默认值，点击OK。
（2）提交分析在JobManager对话框中点击Submit（提交分析）。
看到对话框中的Status（状态）提示依次变为Submitted，Running和Completed，这表示对模型的分析已经成功完成，如图3.20所示。
点击此对话框中的Results（分析结果），自动进入Visualization模块。
图3.20提交分析步
3.3.9后处理
看到窗口左上角的Module列表已自动变为Visualization功能模块，视图区中显示出模型未变形时的轮廓图。
（1）显示
应力云图主菜单中选择ResultsFieldOutput，弹出FieldOutput对话框，选择S（应力），再选择S11分量（
），如图3.21所示，点击OK。
然后，点击左侧工具区中的
（PlotContours），显示
的云图如图3.22所示。
图3.21选择应力输出分量S11图3.22X方向应力分量
的云图
（2）查询左边界直线与圆弧边交点的
值点击窗口顶部工具栏中的
（QueryInformation），或在主菜单中选择ToolsQuery（查询），在弹出的Query对话框中选择Probevalues（查询值）。
在弹出的ProbeValues对话框中，将Probe（查询对象）设为Nodes，选中SS11，然后将鼠标移至查询点处，此节点的应力值就会在ProbeValues对话框中显示出来，并做好记录！
如图3.23所示。
图3.23左边界直线与圆弧边交点的
应力值
（3）输出左右对称面上的
曲线在主菜单中选择ToolPathCreate，弹出CreatePath对话框，Name后输入名字Path-S11，Type设为Nodelist，点击Continue，弹出EditNodelistPath对话框，如图3.24所示。
点击对话框下部的AddBefore，在屏幕上从下到上依次点取左对称面上的各节点，选取节点完成后的图形如图3.25所示。
然后点击中键确认，在弹出的对话框中点击OK。
图3.24EditNodelistPath对话框图3.25左对称边界上的节点选取
在主菜单中选择ToolXYDataCreate，弹出CreateXYData对话框，其中Source设为Path，点击Continue，弹出如图3.26所示的对话框，在Path下拉菜单中选择Path-s11，点击对话框下方的Plot，得到如图3.27所示的曲线，此曲线即为左右对称面上的
分布曲线。
图3.26绘图对话框图3.27左右对称面上的
分布曲线
3.3.10退出ABAQUS/CAE
点击窗口顶部工具栏中的
来保存模型，然后点击主菜单中选择FiIeExit，退出ABAQUS/CAE。
3.4上机报告要求
本上机实验作为练习，不需要写实验报告。
实验2和实验3需要实验报告。
4上机实验2——工字梁的模态分析
4.1问题描述
等截面工字梁长L=5000mm，截面如图4.1所示。
材料参数：
弹性模量
，泊松比
，密度
。
图4.1工字梁截面
4.2目的和要求
掌握结构的模态分析方法，会从计算结果中提取频率和振型。
1）用六面体单元划分网格，厚度方向至少有4排网格。
2）计算梁的前20阶模态。
3）分自由模态和有约束模态两种工况。
4.3操作步骤
4.3.1启动ABAOUS/CAE
[开始][程序][ABAQUS6.7-1][ABAQUSCAE]。
启动ABAQUS/CAE后，在出现的StartSession（开始任务）对话框中选择CreateModelDatabase（创建新模型数据库）。
4.3.2创建部件
在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中，可以看到模块列表Module：
Part，这表示当前处在Part（部件）功能模块，可按照以下步骤来创建梁的几何模型。
（1）创建部件点击左侧工具区中的
（Createpart），弹出CreatePart对话框。
在Name（部件名字）后面输入beam-mode，将ModelingSpace（模型所在空间）设为3D，Type：
Deformable，Basefeature：
Solid，Extrusion将Approximatesize设置为1000，其余参数不
升级会员 