Abaqus/CAE高级实用技巧

收稿日期:2010,07,12 1 Abaqus新提出的扩展有限元法(Extended Finite Element Method, XFEM)在解决裂纹扩展问题时有何优点?如何在Abaqus/CAE中设置?对于裂纹扩展问题,传统的有限元法一般采用预先埋设裂纹路径或网格重新划分的方法,让其沿网格扩展,这对模型网格的要求非常高.XFEM能克服以上弊端,在应力集中或裂纹尖端等高应力区域自动将每个单元剖分为2个单元,在模拟裂纹生长时无须重新剖分网格.

XFEM在计算精度上可满足要求,且在划分网格时无须考虑裂纹界面,在裂纹尖端应力奇异场附近不要求过密的网格,当裂纹扩展时不必重新划分网格,允许单元断开,可解决传统裂纹扩展分析中网格须重新划分的难题,适于模拟任意裂纹动态扩展问题.XFEM在Abaqus的设置也很简单,用户设定好材料等相关参数后,对模型进行XFEM的相关设置即可.所有定义可很方便地在Abaqus/CAE中完成,与XFEM的相关设置有:

图 1 Create Crack

对话框(1)切换到Interaction模块,在主菜单栏中选择SpecialCrackCreate,弹出Create Crack对话框(见图1),选择XFEM,单击Continue后选择裂纹区域,确定后进入Edit Crack对话框(见图2),用户可设置允许裂纹扩展、裂纹位置和contact property等参数.

图 2 Edit Crack对话框

(2)在Step模块中定义场输出时,需定义XFEM状态变量STATUSXFEM,以便在View后处理器中查看裂纹的相关结果.在Edit Field Output Request对话框中可选择变量STATUSXFEM(见

图3).

图 3 Edit Field Output Request对话框(部分)

2 如何在Abaqus/CAE中实现流固耦合分析?

DS SIMULIA公司于2010年开发出第3个求解器――计算流体动力学求解器Abaqus/CFD.它基于混合间断有限元法/有限体积法和有限元法,可解决与层流和湍流相关的流体力学问题

在Abaqus/CAE中,用户可尽可能地使用现有工具进行定义,使得不管是计算流体力学专家还是初学者都感觉像使用为实现流固耦合而建立的CFD前后处理工具的功能一样.用户不用通过第三方软件就可以在Abaqus/CAE中方便地实现Abaqus/Standard,Abaqus/Explicit与Abaqus/CFD的耦合,实现真正意义上的流固耦合操作过程为:

(1)用户需要定义2个模型的属性,一个定义为Standard/Explicit模型,另一个定义为CFD模型.在Abaqus/CAE的模型树中双击Models,出现定义模型属性的对话框(见图4),选择模型类型即可.

图 4 定义模型属性的对话框

(2)定义2个模型各自的部件、材料属性、分析步、载荷和边界条件等.

(3)耦合2个模型.具体操作为,激活其中1个模型,双击模型树中的Interaction,进入Create Interaction对话框(见图5),选择Step以及Fluid,Structure Co,simulation Boundary,点击Continue并选择耦合面后,进入Edit Interaction对话框,点击OK完成定义.另一个模型亦按照上述方法定义.

图 5 Create Interaction对话框

(4)建立耦合Job.在模型树中双击Co,execution,进入Edit Co,execution对话框(见图6),设定计算模型及参数.

图 6 Edit Co,execution对话框

3 如何实现求解器Abaqus/Standard与Abaqus/Explicit的协同仿真?求解器Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit各有优缺点对于应变变化较小且没有接触等非线性因素不强的区域,前者可很快收敛,且事件增量步可以设置得比较大;对于应变变化较大或复杂的接触区域,后者不存在收敛性,所以对该类问题计算速度很快二者的协同仿真可充分利用其各自优点,对于应变变化不大且没有接触或接触状态不复杂的区域,可用Abaqus/Standard计算,而对于应变变化较大或接触状态复杂的区域,用Abaqus/Explicit计算可大大提高计算效率.协同仿真的实现方法为:

(1)定义Standard和Explicit 2个模型.首先在Standard模型中将所有部件装配好,然后将其中要用于Explicit计算的部件拷贝到Explicit模型中.实现方法为:在主菜单栏中选择ModelCopy Objects,弹出Copy Objects对话框(见图7),根据需要将Standard模型中的相关instances拷贝到Explicit模型中.图 7 Copy Objects对话框

(2)激活Abaqus/Standard模型,在模型树中选中需要Link的部件,点击鼠标右键,选择Link Instances,弹出对话框(见图8),继续即可.Link完成后,这些Instance在Standard模型里将显示成灰色,便于用户检查模型.

图 8 Link Instances对话框

(3)分别定义2个模型的分析步、载荷和边界条件等.

(4)激活Abaqus/Explicit对应的模型,双击模型树中的Interaction,进入Create Interaction对话框,选择Standard,Explicit Co,simulation,点击Continue后,选择联合仿真面或者点,进入Edit Interaction对话框(见图9),完成相关定义即可.

图 9 Edit Interaction对话框

(5)在模型树中双击Co,execution,进入Edit Co,execution对话框,设定计算模型及其他参数,完成后点击OK结束定义.

(待续)