基于ABAQUS的建模与仿真

一、ABAQUS的简要介绍

（一）ABAQUS的背景知识

ABAQUS是工程模拟的有限元软件，功能强大，涉及到多种问题的解决，从单一的线性分析到多种复杂的非线性问题等。

ABAQUS被达索并购后，逐步使SIMULIA成为为其新品牌分析的一个有效的软件。SIMULIA作为一个仿真平台主要的优势有：

1.是多物理场的仿真平台。

2.支持最先进的仿真技术以及仿真的领域。

同时SIMULIA运用在真实世界的仿真上，为真实世界的模拟提供了一个开放的多物理场的分析平台。SIMULIA将同CATIA ，DELMIA一起，帮助用户在PLM中，实现设计，仿真和生产的协同工作。它将分析仿真在产品开发周期的地位提升到新的高度。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并且它的材料模型库是十分丰富的，对于各种材料的模型都能够做到有效的模拟，同时它还能解决大量的结构问题，以及模拟出其它工程领域的相关问题，为工程的开展提供更加科学的方法和更全面的解决工程中出现的问题。

（二）ABAQUS的功能模块

ABAQUS根据相关的需求和功能，按照每个单元不同的功能划分不同的功能模块，而且每个功能模块包含其指定的相关的工具，协调模块工作。

其中各个模块的功能主要表现有：

1.部件（Part）：在ABAQUS环境下可以运用图形工具直接生成各个部件，同时这个模块也主要是用于创建单个的部件。

2.特性（Property）：特性模块可以应用在部件中，它主要的功能是对部件中的部分或者是整个部件性的信息进行定义。

3.装配（Assembly）：利用该模块可以创建部件的实体，并将这些实体构成装配件。

4.分析步（Step）：分析步主要作用是通过联系输入需求，生成和构建相关步骤，为模块模拟过程提供依据，方便操作，同时可以根据要求在分析步之间设置输出变量。

5.相互作用（Interaction）：这主要就是指相关模型之间在一定的区域和范围内，能够相互作用，以及相互约束。模块的相互作用，除了表现在模块两个面之间的接触，同时也有模块指定的接触。这样能更好的体现出装配件中模块之间能够更好的利用。

6.载荷（Load）：该模块主要是在分析步中起作用的，指定载荷、边界条件以及场变量载荷都是以分析步作为场所进行操作的。它们之间是相互关联的。

7.网格（Mesh）：网格的制作可以通过模块中本身所具有的工具进行创建，用户可以利用该软件中相关的配件创建网格工具生成自己需要的网格。

8.作业（Job）：作业模块功能主要是在模块任务完成后，通过分析计算机模块，并且该模块能够满足用户对计算过程的监控以及提交分析作业。同时能够满足多个模型和计算的操作。

9.可视化（Visualization）：可视化模块的主要作用过程是：首先，显示有限元模型和分析结果；其次，获取模型信息；最后，由Step模块进行输出修改，满足用户信息需求。

10.草图（Sketch）：

草图是二维轮廓图形，用来帮助形成几何形状，定义ABAQUS可以识别的部件。利用草图模块创建的草图，可以定义一个平面的部件、梁或者剖面，也可以通过将这个草图拉伸、扫略或者旋转等方式定义一个三维部件。

二、ABAQUS的基本分析过程

ABAQUS的基本分析过程包括前处理、模拟计算和后处理。

（一）前处理。前处理主要是在对模型进行物理定义的时候，生成一个ABAQUS输出的文件，一般情况下为了更加方便通常采取的是图形方式生成模型。

（二）模拟计算。模拟计算阶段使用ABAQUS求解输入文件所定义的数值模型，通常以后台方式运行。对数据的分析时间取决与数据分析的难易度已经计算机的运算能力。

（三）后处理。后处理就是整个分析最后的过程，把模拟计算后得到的数据进行总体的评估，

评估通常可以通过ABAQUS的可视化模块或者其他后处理软件在图形环境下交互式进行。

三、利用ABAQUS生成模型步骤

（一）量纲。使用量纲前确定量纲系统，在数据输入的时候要指定一致性的量纲，对了量纲系统，ABAQUS是不提供专门的系统服务的。

（二）创建部件。ABAQUS模型的基本构建就是有创建部件组成的，形体的创建可以是ABAQUS环境下直接建立，也可以有其它的工具导入形体。

（三）创建材料。通过Property模块创建材料的参数。

定义材料的步骤如下：

1.在工具栏的模块列表中，选择Property选项进入到Property模块。2.在主菜单栏中选择Material-Create命令，创建新的材料，打开Edit Material对话框。3.定义两种材料：材料1为ZM-6，杨氏模量为44000，泊松比为0.34。材料二伟steel，杨氏模量为210000，泊松比为0.3。Material Behaviour均选择Elastic。

（四）定义和赋予截面特性。先在Property中创建一个截面，在截面创建之后，应用以下两种方法中的一种将该截面特性赋予到当前窗口中的部件：

1.直接选择部件中的区域，并赋予截面特性到该区域。2.用户可以利用Set工具创建一个同类集，它包含该区域并赋予截面特性到该集合。

（五）定义装配。每一个部件都创建在自己的坐标系中，并且相互独立。在Assembly模块中，通过创建各个部件的实体（instance）并在整个坐标系中将他们按照相互关系定位。一个模型可以包含多个部件，但是只能包含一个装配件。

1.在位于Module列表中，选择Assembly选项，进入装配模块。先通过左上角的Instance Part将部件导入装配。2.通过装配模块中的各种装配方式，如同轴，面面接触等，根据需要对相关部件进行装配。

（六）设置分析过程

即创建分析步。在已经创建了装配部件之后，可以进入到Step分析步模块来设置分析过程了。

下面首先分析本模型可能出现的刚性位移。

1.底座和螺钉。底座上有固支的边界条件，螺钉通过绑定约束连接在底座上，因此底座和螺钉都不会出现刚移。

2.盖板。

带摩擦的接触关系可以保证消除盖板的刚移，但是在这个接触关系建立起来之前，盖板缺乏足够的约束条件，因此需要一些额外的分析步和边界条件，让分析过程更容易实现收敛。

基于以上分析，整个分析由四个步骤组成：

（1）一个初始分析步，施加边界约束条件；（2）第一个分析步（S1-tempFix-10N）：在盖板的端面上定义临时的固支边界条件，在每个螺栓上施加很小的10N的预紧力，让各个接触关系平稳地建立起来；（3）第二个分析步（S1-tempFree-10N）：解除盖板端面的固支边界条件，保持螺钉上10N的预紧力不变；（4）第三个分析步（Step3 S3- 15KN）：将螺钉的预紧力增加到15KN。

ABAQUS里有一般分析步（general analysis steps），可以用来分析线性或者非线性响应。

（七）定义接触和绑定约束

施加的条件是与分析步相关的，即用户必须指定边界条件和载荷在哪个或者哪些分析步中起作用。下面将在盖板和螺钉之间以及盖板和底座之间定义接触，在螺钉和底座的螺纹处建立绑定约束。

1.定义接触和绑定约束所要用到的各个面2.在螺纹处定义绑定约束3.定义接触属性4.定义盖板和螺钉之间的接触5.定义盖板和底座之间的接触6.保存模型

（八）定义边界条件

1.为定义边界条件的区域创建集合；2.定义固支和对称边界类型。固支边界条件：名称为BC-zdc-fix，类型为ENCASTRE；3.在盖板的端面定义临时的固支边界条件

为防止在接触完全建立之前，盖板发生刚移，在第一个分析步中，在盖板的端面上定义临时的固支边界条件：边界条件的名称为BC-tem-fix。

（1）施加载荷。（2）划分网格。（3）提交分析作业。

进入JOB功能模块，创建分析作业，保存模型，然后提交分析。分析过程中出现了一些警告信息，但是不影响分析结果。

四、后处理以及实验结果分析

（一）显示未变形图（由于版面限制，一些图片不予显示，读者可自行建模分析）

（二）显示应力图

1.Step1 S1-tempFix-10N

2.Step2 S1-tempFree-10N

3.Step3 S3- 15KN

通过三个分析步所得到的不同的变形情况可以看出，从step1到step3，装配体的变形依次增大，但是在次变形图上无法看出具体的变化情况值，于是进行下面的进一步分析。

（三）绘制应力等值曲线图

1.Step1 S1-tempFix-10N

2.Step2 S1-tempFree-10N

3.Step3 S3- 15KN

从该变形等值线图中可以看出，step1和step2之间差别不大，在一个数量级上，但是step3的差异很大，原因很明显，step1与step2每个螺钉上施加的力均为10N，之间的差别仅为装配体是否固定，固定是为了防止突然施加力时导致错误，本身就不应该对结果产生大的影响。而step3上螺钉上施加的力为15KN，施加的力变为以前的1500倍，变形也应该是以前的三个数量级倍，分析结果与之吻合，同时也说明了建模分析的正确性。

（四）空间位移：

1.Step1 S1-tempFix-10N

2.Step2 S1-tempFree-10N

3.Step3 S3- 15KN

当固定撤消后，位移变形明显增大。当力增大，位移变形也随之增大。

（五）能量变化：

通过上述能量随仿真的时间变化可以看出，仿真的step1和step2由于仅施加预紧力，力很小，对于能量的改变基本没有影响。当进行到第三部时，由于载荷的增大，应力应变产生能量以及内部能量均迅速增大，这与事实相符，也充分反映了模型建立的正确性。