abaqus有限元分析過程

1、v1.0可編輯可修改、有限單元法的基本原理有限單元法(The Finite Element Method )簡稱有限元(FEM,它是利用電子計算機進行的一種數(shù)值分析方法。它在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，幾乎所有的彈塑性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)問 題都可用它求得滿意的數(shù)值結(jié)果。有限元方法的基本思路是：化整為零，積零為整。即應(yīng)用有 限元法求解任意連續(xù)體時，應(yīng)把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元， 并在每個單元上指定有限個結(jié)點，假設(shè)一個簡單的函數(shù)(稱插值函數(shù)) 近似地表示其位移分布規(guī)律，再利用彈塑性理論中的變分原理或其他 方法，建立單元結(jié)點的力和位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程組

2、，從而求解結(jié)點的位移分量.進而利用 插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。由位移求出應(yīng)變，由應(yīng)變求出 應(yīng)力二、ABAQUS限元分析過程有限元分析過程可以分為以下幾個階段1.建模階段：建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實際形狀和實際工況條件建 立有限元分析的計算模型一一有限元模型， 從而為有限元數(shù)值計算提 供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。 但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建 立、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定 義等。v1.0可編輯可修改2 .計算階段：計算階段的任務(wù)是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計算。 由于這一步運算量非常大，所以這部分工

3、作由有限元分析軟件控 制并在計算機上自動完成3 .后處理階段：它的任務(wù)是對計算輸出的結(jié)果驚醒必要的處理， 并按一定方式顯示或打印出來，以便對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計的 合理性進行評估，并作為相應(yīng)的改進或優(yōu)化，這是驚醒結(jié)構(gòu)有限 元分析的目的所在。下列的功能模塊在ABAQUS/CAE作整個過程中常常見到，這個表 簡明地描述了建立模型過程中要調(diào)用的每個功能模塊。“Part （部件）用戶在Part模塊里生成單個部件，可以直接在ABAQUS/CAE境下 用圖形工具生成部件的幾何形狀，也可以從其它的圖形軟件輸入部 件。Property （特性）截面（Section ）的定義包括了部件特性或部件區(qū)域類信息，如區(qū)

4、域的相關(guān)材料定義和橫截面形狀信息。在Property模塊中，用戶生成截面和材料定義，并把它們賦于（Assign）部件。Assembly （裝酉已件）所生成的部件存在于自己的坐標系里，獨立于模型中的其它部件。用戶可使用Assembly模塊生成部彳的副本（instance ）,并且在 整體坐標里把各部件的副本相互定位，從而生成一個裝配件。一個ABAQUS型只包含一個裝配件v1.0可編輯可修改Step （分析步驟）用戶用Step模塊生成和配置分析步驟與相應(yīng)的輸出需求。分析步 驟的序列提供了方便的途徑來體現(xiàn)模型中的變化（如載荷和邊界條件的變化）。在各個步驟之間，輸出需求可以改變。Interaction

5、 （相互作用）在interaction 模塊里，用戶可規(guī)定模型的各區(qū)域之間或模型的 一個區(qū)域與環(huán)境之間的力學(xué)和熱學(xué)的相互作用，如兩個表面之間的接觸關(guān)系。其它的相互作用包括諸如綁定約束，方程約束和剛體約束等約束。若不在Interaction 模塊里規(guī)定接觸關(guān)系，ABAQUS/CAE會自 動識別部件副本之間或一個裝配件的各區(qū)域之間的力學(xué)接觸關(guān)系。只規(guī)定兩個表面之間相互作用的類型，對于描述裝配件中兩個表面的邊 界物理接近度是不夠的。相互作用還與分析步相關(guān)聯(lián)，這意味著用戶 必須規(guī)定相互作用所在的分析步。Load （載荷）在Load模塊里指定載荷，邊界條件和場。載荷與邊界條件跟分析 步相關(guān)，這意味著用戶

6、必須指定載荷和邊界條件所在的分析步。有些場變量與分析步相關(guān)，而其它場變量僅僅作用于分析的開始。對于所有單元必須確定其材料特性，然而高質(zhì)量的材料數(shù)據(jù)是很難得到的， 尤其是對于一些復(fù)雜的材料模型。ABAQUS算結(jié)果的有效性受材料數(shù) 據(jù)的準確程度和范圍的限制。Mesh （網(wǎng)格）Mes模塊包含了有限元網(wǎng)格的各種層次的自動生成和控制工具v1.0可編輯可修改從而用戶可生成符合分析需要的網(wǎng)格，Job （作業(yè)）一旦完成了模型生成任務(wù)，用戶便可用Job模塊來實現(xiàn)分析計算。 用戶可用Job模塊交互式地提交作業(yè)、進行分析并監(jiān)控其分析過程， 可同時提交多個模型進行分析并進行監(jiān)控。Visualization（可視化）可

7、視化模塊提供了有限元模型的圖形和分析結(jié)果的圖形。它從輸 出數(shù)據(jù)中獲得模型和結(jié)果信息，用戶可通過 Step模塊修改輸出需求， 從而控制輸出文件的存貯信息。Sketch （繪圖）在ABAQUS/CAE,先繪出二維的輪廓線有助于生成部件的形狀。用Skcteh模塊可直接生成平面部件，生成梁或一個子區(qū)域，也可以先 生成二維輪廓線，然后用拉伸、掃掠、旋轉(zhuǎn)的方式生成三維部件。在功能模塊之間切換時，主菜單中內(nèi)容會自動更換，各輔助菜單也隨 之改變。其中在各個模塊中要注意的是：在進行有限元分析之前，首先應(yīng)對結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進 行仔細分析，只有正確掌握了分析結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾 何模型。總的來

8、說，要定義一個有限元分析問題時，應(yīng)明確以下幾點： a.結(jié)構(gòu)類型；b.分析類型；c.分析內(nèi)容；d.計算精度要求；e.模型規(guī) 模；f.計算數(shù)據(jù)的大致規(guī)律建立有限元模型是整個有限分析過程的關(guān)鍵。首先，有限元模型為計v1.0可編輯可修改算提供所以原始數(shù)據(jù)，這些輸入數(shù)據(jù)的誤差將直接決定計算結(jié)果的精 度；其次，有限元模型的形式將對計算過程產(chǎn)生很大的影響，合理的 模型既能保證計算結(jié)構(gòu)的精度，又不致使計算量太大和對計算機存儲 容量的要求太高；再次，由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復(fù)雜性，要建立 一個符合實際的有限元模型并非易事， 它要考慮的綜合因素很多，對 分析人員提出了較高的要求；最后，建模所花費的時間在整個分析過

9、 程中占有相當大的比重，約占整個分析時間的 70%因此，把主要精 力放在模型的建立上以及提高建模速度是縮短整個分析周期的關(guān)鍵。建立有限元模型的一般過程：1 .分析問題定義在進行有限元分析之前，首先應(yīng)對結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進 行仔細分析，只有正確掌握了分析結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾 何模型。總的來說，要定義一個有限元分析問題時，應(yīng)明確以下幾點： a.結(jié)構(gòu)類型；b.分析類型；c.分析內(nèi)容；d.計算精度要求；e.模型規(guī) 模；f.計算數(shù)據(jù)的大致規(guī)律2 .幾何模型建立幾何模型是從結(jié)構(gòu)實際形狀中抽象出來的， 并不是完全照搬結(jié)構(gòu)的實 際形狀，而是需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體特征對結(jié)構(gòu)進行必要的簡化、變化和

10、處理，以適應(yīng)有限元分析的特點。加載和邊界條件：加載使結(jié)構(gòu)變形和產(chǎn)生應(yīng)力。大部分加載的形式包括：點載荷v1.0可編輯可修改表面載荷體力，如重力,熱載荷邊界條件是約束模型的某一部分保持固定不變 （零位移）或移動規(guī)定 量的位稱（非零位移）。在靜態(tài)分析中需要足夠的邊界條件以防止模 型在任意方向上的剛體移動；否則，在計算過程中求解器將會發(fā)生問 題而使模擬過程過早結(jié)束在對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分后稱為離散模型， 它還不是有限元模型，只有 在網(wǎng)格模型上定義了所需要的各類邊界條件后，網(wǎng)格模型才能成為完 整的有限元模型。劃分網(wǎng)格時注意1.單元類型選擇劃分網(wǎng)格前首先要確定采用哪種類型的單元，包括單元的形狀和階次。單元類型

11、選擇應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、形狀特征、應(yīng)力和變形特點、 精度要求和硬件條件等因素綜合進行考慮2、網(wǎng)格數(shù)常用單元的選用原則：有限元網(wǎng)格劃分中單元類型的選用對于分析精度有著重要的影響，工程中常把平面應(yīng)變單元用于模擬厚結(jié)構(gòu)， 平面應(yīng)力單元用于模 擬薄結(jié)構(gòu)，膜殼單元用于包含自由空間曲面的薄壁結(jié)構(gòu)。 對塊體和四 邊形，可以選擇全積分或縮減積分，對線性六面體和四邊形單元，可 以采用非協(xié)調(diào)模式。由于三角形單元的剛度比四變形單元略大， 因此6v1.0可編輯可修改相對三節(jié)點三角形單元，優(yōu)先選擇四邊形四節(jié)點單元。如果網(wǎng)格質(zhì)量 較高且不發(fā)生變形，可使用一階假定應(yīng)變四邊形或六面體單元， 六面 體單元優(yōu)先四面體單元和五面體鍥

12、形單元。 十節(jié)點四面體單元與八節(jié) 點六面體單元具有相同的精度。網(wǎng)格較粗的情況下使用二階縮減積分 四邊形或四面體單元，對于橡膠類體積不可壓縮材料使用Herrmann單元，避免體積自鎖。在完全積分單元中，當二階單元被用于處理不 可壓縮材料時，對體積自鎖非常敏感，因此應(yīng)避免模擬塑性材料，如 果使用應(yīng)選用Herrmann單元。一階單元被定義為恒定體積應(yīng)變時， 不存在體積自鎖。在縮減積分單元中，積分點少，不可壓縮約束過度， 約束現(xiàn)象減輕，二階單元在應(yīng)變大于20%40%時應(yīng)小心使用，一階單元可用于大多數(shù)應(yīng)用場合并具有自動沙漏控制功能。3 .單元特性定義有限元單元中的每一個單元除了表現(xiàn)出一定的外部形狀外，還

13、應(yīng)具備一組計算所需的內(nèi)部特征參數(shù)，這些參數(shù)用來定義結(jié)構(gòu)材料的性能、 描述單元本身的物理特征和其他輔助幾何特征等.4 .網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的中心工作， 模型的合理性很大程度上可 以通過所劃分的網(wǎng)格形式反映出來。目前廣泛采用自動或半自動網(wǎng)格 劃分方法，如在Ansys中采用的SmartSize網(wǎng)格劃分方法就是自動劃 分方法。有限元網(wǎng)格劃分是進行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一 步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及其拓撲類型、單元類型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格的密度、v1.0可編輯可修改單元的編號以及幾何體素。從幾何表達上講，梁和桿是相同的，從物 理和數(shù)值求

14、解上講則是有區(qū)別的。 同理，平面應(yīng)力和平面應(yīng)變情況設(shè) 計的單元求解方程也不相同。在有限元數(shù)值求解中，單元的等效節(jié)點 力、剛度矩陣、質(zhì)量矩陣等均用數(shù)值積分生成，連續(xù)體單元以及殼、 板、梁單元的面內(nèi)均采用高斯（Gauss）積分，而殼、板、梁單元的 厚度方向采用辛普生（Simpson）積分。辛普生積分點的間隔是一定 的，沿厚度分成奇數(shù)積分點。由于不同單元的剛度矩陣不同，采用數(shù) 值積分的求解方式不同，因此實際應(yīng)用中，一定要采用合理的單元來 模擬求解。5 .模型檢查和處理一般來說，用自動或半自動網(wǎng)格劃分方法劃分出來的網(wǎng)格模型還不能 立即應(yīng)用于分析。由于結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成過程的復(fù)雜性， 劃分出來的網(wǎng) 格或多或

15、少存在一些問題，如網(wǎng)格形狀較差，單元和節(jié)點編號順序不 合理等，這些都將影響有限元計算的計算精度和計算時間網(wǎng)格數(shù)量又稱絕對網(wǎng)格密度，它通過網(wǎng)格尺寸來控制。在有限元分析 中，網(wǎng)格數(shù)量的多少主要影響以下兩個因素：6 .計算精度網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度一般會隨之提高。這是因為：.網(wǎng)格邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)實際的曲線或曲面邊界；.單元位移函數(shù)能夠更好的逼近結(jié)構(gòu)實際位移分布；.在應(yīng)力梯度較大的部位，能夠更好地反映應(yīng)力值的變化。但是也需要提醒的是：網(wǎng)格數(shù)量太多時，計算的累積誤差反而會降低v1.0可編輯可修改計算精度。7 .計算規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量增加，將主要增加以下幾個方面的時間：.單元形成時間.求解方程時間.網(wǎng)格劃

16、分時間8 .網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指結(jié)構(gòu)不同部位采用不同大小的網(wǎng)格，又稱相對網(wǎng)格密度，它通過在不同位置設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸來控制。在實際結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場很少有均勻變化的，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)或多或少的存在不同程度的應(yīng) 力集中。為了反映應(yīng)力場的局部特性和準確計算最大應(yīng)力值，應(yīng)力集中區(qū)域就應(yīng)采用較多的網(wǎng)格，而對于其他的非應(yīng)力集中區(qū)域，為了減 少網(wǎng)格數(shù)量，則采用較稀疏的網(wǎng)格。9 .單元階次結(jié)構(gòu)單元都具有低階和高階形式，采用高階單元的目的是為了提高計 算精度，這主要考慮了以下兩點：1.利用高階單元的曲線或曲面邊界 更好地逼近結(jié)構(gòu)的邊界曲線或曲面；2.利用高階單元的高次位移函數(shù) 更好地逼近結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位移分布。 但是高階單元具有較多的節(jié)點，使 用時也應(yīng)權(quán)衡計算精度和模型規(guī)模兩個因素， 處理好單元階次和節(jié)點 數(shù)量的