abaqus文献综述

ABAQUS与有限元分析文献综述

在当前的工程技术领域中，越来越多的复杂结构需要去分析包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用、复杂的支撑约束等在内的众多问题。这些工程实际问题，由于复杂以至于很少甚至没有解析解，但是为了发展的需要仍然需要去分析研究。有限元分析是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性信息。有限元分析实现的最后载体是经过技术集成的有限元分析软件，在众多的有限元分析软件中，ABAQUS以其强大的的非线性分析功能和强大的建模功能等优点赢得了大型企业、科研机构和各大高校的青睐，已逐渐成为分析工程技术的首选软件。[1]目前，ABAQUS已被广泛应用在航空、汽车、土木工程、数控[2]等众多领域。

一、有限元法简单介绍

有限元法是20世纪60年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和解题方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造适用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。[3]随着计算机技术的发展，它已成为涉及力学领域科学研究和工程技术不可或缺的工具。对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但是由于其几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，要求得解析解是很困难的。有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元构成，其模型给出基本方程的分片近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上它有成熟的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。[4]最初有限元法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围已经包括了固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场等领域的数理方程，已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方法。[5]

近些年来，随着计算机技术的迅速发展，有限元在工程分析中的作用已从分析、校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合，正在逐步达到其性能的最佳化状态。另外，在现代力学、计算数学等学科的促动下，有限元法已经成为一个具有巩固理论基础和广泛应用的数值分析工具，在国民经济建设和科学技术进步中发挥着巨大作用。鉴于有限元在应用中的通用性和重要性，不少国家编制了大型通用的计算机程序，如：COSMIC/NASTRAN、MSC/NASTRAN(大型综合有限元软件)、SAP-NONSAP(线性与非线性有限元通用软件)、ADINA（非线性结构分析通用软件）、ANSYS(有限元分析系统)[6]、ABAQUS(线性与非线性有限元通用程序)、ASKA(大型综合通用有限元软件)、MARC(大型综合非线性有限元软件)等。我国科研机构或是高校也根据自己的实际情况开发了一些有限元分析软件，例如，吉林大学车身与模具研究所自主开发的KMAS软件，大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室开发的JIFEX系统，航空工业部623研究所开发的HAJIF-I、II 主要用于航空结构静力学、动力学的非线性分析等[7]。

二、ABAQUS软件及相关内容介绍

ABAQUS有限元软件由美国ABAQUS公司研制开发，在国际上被公认为是功能最强的非线性有限元软件之一，可以分析各种力学系统，特别是能够处理非常复杂的力学问题和模拟高度非线性问题。[8]ABAQUS有着强大的建模功能并且具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状。ABAQUS也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，同时还具备以下优点，第一、强大的网格剖分能力，针对复杂的模型可以先剖分成超单元，然后可以进一步划分为较为理想的六面体。[9]第二、强大的二次开发能力，留有47个用户接口，可以根据需要编写任何适合自己的本构接触单元和用户单元等，还可以实现参数化建模。第三、ABAQUS提供了庞大的单元库，如实体单元、壳单元、梁单元、刚性单元，质量单元和弹簧单元等。在ABAQUS强大的功能基础上可以做出任何用户需要的东西。[10]因此，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有两个主要的分析模块ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。其中，在这两个主分析模块中又包含众多分析模块，在这众多的分析模块中，ABAQUS/CAE及ABAQUS/Viewer是我们最常使用的分析模块,前者是集成的ABAQUS 工作环境，包含了ABAQUS模型的建模、交互式提交作业和监控运算过程以及结果评估等能力，而后者是ABAQUS/CAE的子模块，它只包含其中的后处理功能。

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ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式图形环境。在运用其进行一个模型分析的大致流程为：首先通过本身的建模功能或通过其他的CAD软件中导入将要分析的几何模型，并将其分解为便于网格化分的若干区域，应用它可以方便的构造模型，然后对生成的几何体赋予物理或是材料特性以及所受到的载荷和边界条件。ABAQUS具有对几何体划分网格的强大功能，并可检验所生成的几何模型。[12]模型生成后，ABAQUS/CAE就可以提交、监视和控制分析作业，通过相关的设置得到自己想要的结果。

ABAQUS/CAE中包含如下模块：1、Part 2、Property 3、Assembly 4、Step 5、Interaction 6、Load 7、Mesh 8、Job 9、Visualization 10、Sketch。我们可以从环境栏中的Module列表中选择各个模块（如图1，以Abaqus6.10为例）。

图-1

由图可见，列表中的模块次序与创建一个分析模型需要遵循的逻辑次序是一样

的，这为我们进行模型的分析提供了很大的帮助。由于每一个模块之间的关系非常密切，所以在很多情况之下，我们必须遵循这个自然顺序来完成一个模型的分析过程。例如，在生成Assembly时必须先经过Part创建各个单独的部件才能进行装配。但是，虽然模块次序遵循了逻辑过程，ABAQUS/CAE也允许在分析过程中在任何时刻选择任意模块进行工作，而不需要顾及当前的工作状态。然而，一些明显的限制仍是存在的。

Part模块中应该注意在Part-Create之后会弹出如图2所示的对话框，在这个对话框的底部Approximate size中要输入大致尺寸的参数值，通过设置新部件的大致尺寸，ABAQUS/CAE会采用这个尺寸计算绘图区域和区域中栅格的尺寸。选取这个参数的原则必须是与最终模型的大致尺寸同一量级。在ABAQUS/CAE 中不使有特殊单位，均统一采用国际单位。[13]

图-2

在赋予几何模型尺寸或是其他需要进行简单计算时可以在命令行接口进行简单的计算，结果将会显示在CLI中。如图3

图-3

ABAQUS的模拟计算过程会产生大量的输出数据。所以在输出数据前要根据