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abaqus建模流程——学习笔记

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更精确和更稳定。

对于ABAQUS/Standard 的通用分析步,可以点击Step功能模块的主菜单 Other—General Solution Controls来控制收敛算法和时间积分精度。对于静力问题的通用分析步和线性摄动分析步,以及稳态传热问题,可以点击主菜单Other->Solver Controls 来控制迭代线性方程求解器的参数。 ? 设定几何非线性(Nlgeom)

进行弹塑性分析时,如果模型的位移较大,则设定几何非线性为on。当然弹塑性分析中并不一定要考虑几何非线性,几何非线性的含义是位移的大小对结构的响应发生影响,例如大位移、大转动、初始应力、几何刚性化和突然翻转等。 ? 分析控制

?为Abaqus/Explicit分析定义自适应网格区域和自适应网格控制。 ?为接触问题定制求解控制。

?定制一般求解控制,用于控制Abaqus中的收敛控制参数和时间积分精度算法。

5 选择监视自由度

在分析过程中,可以有效的显示求解历程,为求解过程提供简单的指示。选定某个自由度,指示当前解的位置。比如在结构突变分析过程中,监控选定薄板拱形结构的中点。

6 建立交互作用(接触、约束)

ABAQUS/CAE中的接触分析主要包括以下建模步骤:

1) 在Interaction功能模块、Assembly功能模块或 Load功能模块中定义各个接触面。 2) 在Interaction功能模块中定义接触属性(包括法向接触属性和切向的摩擦属性)。

3) 在Interaction功能模块中定义接触(包括主面、从面、滑动公式、从面位置调整、接触属性、接触面距离和接触控制等)。

4) 在Load功能模块中定义边界条件,保证消除模型的刚体位移。 在Interaction功能模块中,主要可以定义模型的以下相互作用:

(1) 主菜单Interaction定义模型的各部分之间或模型与外部环境之间的力学或热相互作用,例如接触、弹性地基、热辐射等。

(2) 主菜单Constraint 定义模型各部分之间的约束关系。

(3) 主菜单 Connector 定义模型中的两点之间或模型与地面之间的连接单元,用来模拟固定连接、铰接、恒定速度连接、止动装置、内摩擦、失效条件和锁定装置等。

(4) 主菜单Special—Inertia 定义惯量(包括点质量/ 惯量、非结构质量和热容)。 (5) 主菜单Special—Crack 定义裂纹。

(6) 主菜单Special—Springs/Dashpots 定义模型中的两点之间或模型与地面之间的弹簧和阻尼器。 (7) 主菜单Tools常用的菜单项包括Set (集合)、Surface (面)和Amplitude (幅值)等。 ?

接触

接触分析中的关键问题是定义接触属性、接触面和接触关系。

即使两个实体之间或一个装配件的两个区域之间在空间位置上是互相接触的,ABAQUS/CAE也不会自动认为它们之间存在着接触关系,需要使用 Interaction 模块中的主菜单Interaction来定义这种接触关系。

相互作用与分析步有关,必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。

在必要的时候,利用接触管理器激活/不激活接触,以分析其区别。 在三维模型中可以使用自动约束探测快捷方便地定义接触和绑定约束。 接触对中的 slave surface 应该是材料较软,网格较细的面。

接触面之间有微小的距离,定义接触时要设定“Adjust=位置误差限度”,此误差限度要大于两触面之 间的距离,否则ABAQUS 会认为个面没有接触。由于模型中存在数值误差,所以一般要设置这个位置误差限度(0.02)。

小滑移问题的接触压强总是根据未变形时的接触面积来计算的,有限滑移问题的接触压强则是根据变化的接触面积来计算。

如果模型中有塑性材料,或分析过程中会发生很大的位移或局部变形,或施加载荷后会使接触状态发生很大的变化,则应设置较小的初始时间增量步。

在对分析步的定义中可以使用下面关键词*CONTACT PRINT将接触信息输出到DAT文件(ABAQUS/CAE不支持)。CPRESS和CFN的区别是:CPRESS是从面各个节点上各自的接触压强,而CFN代表接触面所有节点接触力的合力,它包含四个变量:CFNM、CFN1、CFN2和CFN3。接触面所有节点在垂直于接触面方向上接触力的合力称为法向接触力。如果接触面是曲面,就无法由CFN直接得到法向接触力,这时可以通过各个从面节点的CPRESS来计算法向接触力

法向接触力=从面上所有节点的CPRESS之和X 从面的面积/从面上的节点数 摩擦力=法向接触力X摩擦系数

利用MSG文件可以查看分析迭代的详细过程,从面节点有开放和闭合两种接触状态。如果在一次迭代中节点的接触状态发生了变化,称为“严重不连续迭代(SDI)”。如果分析能够收敛,每次严重不连续迭代中CLOSURES和OPENINGS的数目会逐渐减少,最终所有从面节点的接触状态都不再发生变化,就进入平衡迭代,直至收敛。如果CLOSURES和OPENINGS的数目逐渐减少,但最终不断重复出现“0 CLOSURES,1OPENINGS”和“1 CLOSURES,0 OPENINGS”(此处的数字也可以大于1),即所谓“振颤”。如果CLOSURES和OPENINGS的数目逐渐减少,但减小的速度很慢,达到第12次严重不连续迭代后,ABAQUS就自动减小增量步长,重新开始迭代。如果增大这个最大次数,允许ABAQUS多进行几次迭代,就有可能达到收敛。操作方法:进入Step模块,主菜单Other→General Solution Controls→Edit,选择相应的分析步,点击Continue,选中Specify,点击Time Incrementation标签页,点击第一个More,把Is由默认的12改为适当的值,然后点击OK。

如果希望在MSG文件中看到更详细的接触分析信息,可以在Step模块中选择菜单Output→Diagnostic Print然后选中Contact。其相应的关键词是*PRINT, CONTACT=YES。 定义主面和从面的一般规则为:

(1)选取刚度大的面作为主面。这里的“刚度”指材料特性和结构刚度。解析面或由刚性单元构成的面必须作为主面,从面则必须是柔体上的面(可以是施加了刚性约束的柔体)。

(2)若两接触面刚度相似,则选取粗糙网格的面作为主面。

(3)如果能使两接触面的网格节点位置一一对应,则能使结果更精确。

(4)主面必须是连续的,由节点构成的面不能作为主面。如果是有限滑移,主面在发生接触的部位必须是光滑的,即不能有尖角。

(5)若主面在发生接触的部位存在尖锐的凹角或凸角,应该在此尖角处把主面分为两部分来分别定义,即定义为两个面。对于有单元构成的主面,ABAQUS会自动进行平滑处理。

(6)若是有限滑移,则在整个分析过程中,都尽量不要让从面节点落到主面之外(尤其不要落在主面的背面),否则容易出现收敛问题。

(7)一对接触面的法线方向应该相反,都指向实体的外部。一般来说,对于三维柔性实体,ABAQUS会自动选择正确的法线方向,而在使用梁单元、壳单元、膜单元、绗架单元或刚体单元来定义接触面时,

用户往往需要自己制订法线方向,就容易出现错误。

解决接触分析中的收敛问题:

(1)检查接触关系、边界条件和约束。

(2)消除刚体位移(Numerical Singularity(数值奇异),有些情况下,还会显示Negative Eigenvalue(负特征值)警告信息)。

(3)一般来说,如果从面上有90o的圆角,建议在此圆角处至少划分10个单元。

(4)如果接触属性为“硬接触”,应尽可能使用六面体一阶单元(C3D8)。如果无法划分六面体单元网格,可以使用修正的四面体二次单元(C3D10M)。

(5)避免过约束,即节点的某个自由度上同时定义了两个以上的约束条件。可能造成过约束的因素有:(a)接触:从面节点会受到沿主面法线方向的约束;(b)边界条件;(c)连接单元;(d)子模型边界;(e)各种约束。

(6)摩擦系数越大,接触分析就越不容易达到收敛。 ?

约束 .

在 ABAQUS/CAE的Assembly 功能模块、Load 功能模块和Interaction 功能模块中都有“约束”的概念,它们分别有不同的含义。在 Assembly 功能模块中,主菜单 Constraint(约束)的作用是定义各个实体间的相互位置关系,从而确定它们在装配件中的初始位置。在Load功能模块中,主菜单 BC 的作用是定义边界条件,消除模型的刚体位移。在Interaction功能模块中,主菜单 Constraint (约束)的作用是定义模型各部分的自由度之间的约束关系,具体包括以下类型。

(1) Tie (绑定约束)模型中的两个面被牢固地粘结在一起,在分析过程中不再分开。被绑定的两个面可以有不同的几何形状和网格。

(2) Rigid Body(刚体约束)在模型的某个区域和一个参考点之间建立刚性连接,此区域变为一个刚体,各节点之间的相对位置在分析过程中保持不变(为整个实体施加刚体约束时,无论实体的类型是Solid、Shell或Wire,都应将刚体约束施加在实体的单元上,即选择Body(elements))。

(3) Display Body (显示体约束)与 Rigid Body类似,受到此约束的实体只用于图形显示,而不参与分析过程。

*刚体约束和显示体约束本质上是一样的,其共同优点是只要去掉约束,部件就恢复成柔体,可以进行多柔体分析。

(4) Coupling (耦合约束)在模型的某个区域和参考点之间建立约束。

1) Kinematic Coupling (运动耦合):即在此区域的各节点与参考点之间建立一种运动上的约束关系。 2) Distributing Coupling (分布耦合):也是在此区域的各节点与参考点之间建立一种约束关系,但是对此区域上各节点的运动进行了加权平均处理,使此区域上受到的合力和合力矩与施加在参考点上的力和力矩相等效。换言之,分布耦合允许面上的各部分之间发生相对变形,比运动耦合中的面更柔软。 . (5) Shell-to-Solid Coupling (壳体-实心体约束)在板壳的边和相邻实心体的面之间建立约束。 (6) Embedded Region (嵌入区域约束)模型的一个区域镶嵌在另一个区域中。 (7) Equation (方程约束)用一个方程来定义几个区域的自由度之间的相互关系。 ?

连接

ABAQUS模拟多体系统的基本思路是:使用2节点的连接单元在模型各部分之间建立连接,并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动约束关系。

连接点可以是模型中的参考点、网格实体的节点、几何实体的顶点或地面。应尽量选择参考点作为连接单元的连接点,而不要直接使用Solid实体的节点,因为具有旋转属性的连接单元会激活Solid实体节点上的旋转自由度,如果这些旋转自由度没有得到充分的约束,就会造成收敛问题。

连接单元的作用不仅仅是在两个连接点之间施加运动约束,它还有另外一个重要的作用:度量两个连接点的相对运动、力和力矩。

在多体分析中,如果连接属性或边界条件选择不正确,很容易出现过约束。如果ABAQUS无法自动解决过约束问题,则可能出现以下结果:(1)分析过程无法达到收敛;(2)虽然能够达到收敛,但出现远远超过正常数量级的刚体位移;(3)虽然能够达到收敛,位移结果也正确,但某个连接单元反作用力或力矩远远大于应有的值。出现过约束时,在MSG文件中会显示Overconstraint Check和Zero Pivot等警告信息。提示:ABAQUS/Explicit不会显示Zero Pivot等警告信息,因此在进行显示分析前,应首先使用ABAQUS/Standard进行分析,确保模型中没有过约束。

一个正确的多体分析模型应满足如下关系:

实体总数x 6 = 位移边界条件所约束的自由度总数+ 连接单元中受约束的相对运动分量总数 基准坐标系的原点不一定要在连接单元的连接点所在的位置上,只要坐标轴的方向正确即可。 ?

过约束

msg文件中出现 zero pivot 说明 ABAQUS 无法自动解决过约束问题,例如在桩底部的最外一圈节点上即定义了 tie,又定义了 contact, 出现过约束。解决方法是在选择 tie 或 contact 的 slave surface 时,将类型设为 node region, 然后选择区域时不要包含这一圈节点。

7 建立交互作用特性

交互作用是用来建立模型中接触表面或相距很近的表面之间力学关系的对象。可以建立一系列交互作用特性,它和交互作用相互独立,每个交互作用都可以被分配到交互作用特性。交互作用特性共有三种:接触特性(contact)、膜条件特性(file condition)、激励和传导特性(actuator/sensor)

接触交互作用特性可以是切向接触和法向接触,接触面间可以是有摩擦、无摩擦和阻尼接触,还可以相互间分离。接触交互作用特性中通常包含阻尼、热传导、热辐射、摩擦生热等信息。接触交互作用特性可以被通用接触、面对面接触或自我接触等交互作用引用。

膜条件交互作用特性定义膜层传热系数为温度的函数。膜条件特性只能被膜条件交互作用引用。

8 施加边界条件和荷载

实体单元(solid element)只有平动自由度,没有转动自由度,所以施加边界条件时只需约束起平动自由度即可。对于分析刚体来说,约束只能施加给分析刚体的参考点。缺省的情况下,ABAQUS将边界条件传递给其后的每一个分析步。对每一个分析步中的边界条件可以进行编辑和修改。

指定载荷和边界条件可以随着时间相关的幅值定义变化,而且幅值定义既可以参考分析步时间也可以参考总时间。默认情况下,一般静态分析步中使用斜坡幅值曲线(0→1)。在一般分析步中,载荷必须以总量而不是以增量的形式给定。 ?

荷载

1) Concentrated Force :施加在节点或几何实体顶点上的集中力,表示为力在三个方向上的分量。 2)Moment:施加在节点或几何实体顶点上的弯矩,表示为力矩在三个方向上的分量。 3)Pressure:单位面积荷载(荷载的方向总是与面或边垂直,正值为压力,负值为拉力)。 4) Shell Edge Load:施加在板壳边上的力或弯矩。

5) Surface Traction:施加在面上的单位面积荷载,可以是剪力或任意方向上的力,通过一个向量来描述力的方向。

6) Pipe Pressure:施加在管子内部或外部的压强。 7) Body Force:单位体积上的体力。

8) Line Load:施加在梁上的单位长度线荷载。

9) Gravity:以固定方向施加在整个模型上的均匀加速度,例如重力;ABAQUS根据此加速度和材料属性中的密度来计算相应的荷载。

10) Bolt Load:螺栓或紧固件上的紧固力,或其长度的变化。

11)Generalized Plane Strain:广义平面应变荷载,它施加在由广义平面应变单元所构成区域的参考点上。 12) Rotational body force:由于模型的旋转造成的体力,需要指定角速度或角加速度,以及旋转轴。 13) ConnectorForce:施加在连接单元上的力。 14) Connector Moment:施加在连接单元上的弯矩。 15)温度和电场变量 ?

边界条件

使用主菜中 BC可以定义以下类型的边界条件:(约束)对称/反对称/固支、(施加或约束)位移/转角、速度/角速度、加速度/角加速度、连接单元位移/速度/加速度、温度、声音压力、孔隙压力、电势、质量集中。

XSYMM:对称边界条件,对称面为与坐标轴1垂直的平面,即U1=UR2=UR3=0; YSYMM:对称边界条件,对称面为与坐标轴2垂直的平面,即U2=UR1=UR3=0; ZSYMM:对称边界条件,对称面为与坐标轴3垂直的平面,即U3=UR1=UR2=0; XASYMM:反对称边界条件,对称面为与坐标轴1垂直的平面,即U2=U3=UR1=0; YASYMM:反对称边界条件,对称面为与坐标轴2垂直的平面,即U1=U3=UR2=0; ZASYMM:反对称边界条件,对称面为与坐标轴3垂直的平面,即U1=U2=UR3=0; PINNED:约束所有平移自由度,即U1=U2=U3=0;

ENCASTRE:约束所有自由度(固支边界条件),即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0.

在边界条件中给出的位移值是相对于模型初始状态的绝对位移值,而不是当前分析步中的增量值。 ?

场变量和荷载状况

使用主菜单Field可以定义场变量(包括初始速度场和温度场变量)。有些场变量与分析步有关,也有些仅仅作用于分析的开始阶段。使用主菜单Load Case 可以定义荷载状况,荷载状况由一系列的荷载和边界条件组成,用于静力摄动分析和稳态动力分析。

9 网格划分

什么是网格?物理部件模型的几何近似,包含许多几何上简单的节点和单元的离散几何体。 (1)进入单元划分模块后,ABAQUS的颜色代表该模型中不同区域适合用哪种方法就行单元划分。绿色表示可以采用结构法划分,黄色表示可以用扫掠法划分,橙色表示该区域不能用缺省的单元(实体单元缺省的单元为六面体单元hexahedral)形状进行单元划分,必须对该区域进行分解后才能用缺省的单元形状进

abaqus建模流程——学习笔记

更精确和更稳定。对于ABAQUS/Standard的通用分析步,可以点击Step功能模块的主菜单Other—GeneralSolutionControls来控制收敛算法和时间积分精度。对于静力问题的通用分析步和线性摄动分析步,以及稳态传热问题,可以点击主菜单Other->SolverControls来控制迭代线性方程求解器的参数。?设定几何非线性(Nlgeom
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