ABAQUS作为求解器在热固耦合和接触问题中的应用分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：ABAQUS还是世界上各大汽车厂商分析发动机中热固耦合和接触问题的标准软件，如奥地利著名发动机生产商AVL在自己的发动机分析软件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作为求解器。它依托于ABAQUS的求解器模块，将ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的应力分析结果根据载荷出现的几率进行数理统计和分析，得到疲劳寿命的预估值，并可以用ABAQUS/CAE的图形界面进行处理，得到用户关心的参数，有效地指导结构的疲劳设计。截止到目前，考虑非线性的机构和结构联合分析功能仍然是ABAQUS所独有的。

具有比其他通用有限元软件更多的单元种类，单元种类达562种，提供了更大的选择余地，并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别。除常规结构外，还可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为。

隐式和显式求解器无缝集成，同为ABAQUS公司的产品，单元类型和命名一致，用户可以很方便地进行两种求解方法的转化和联合运算。

接触和连接类型更多，可以是硬接触或软接触，也可以是Hertz接触（小滑动接触）或有限滑动接触，还可以双面接触或自接触。接触面还可以考虑摩擦和阻尼的情况。上述选择提供了方便地模拟密封、挤压、铰接等工程实际结构的手段。

图3-104 ABAQUS软件界面

材料非线性是ABAQUS非线性分析的一种重要类型。它具有丰富的材料模型库，涵盖了弹性（包括超弹性和亚弹性）、金属塑性、粘塑性、蠕变、各向异性等各种材料特性。

在复合材料方面，ABAQUS允许采用多种方法定义复合材料单元，包括复合材料壳单元、复合材料实体单元以及叠层实体壳单元；提供基于平面应力的失效准则和基于断裂力学的开裂功能，包括最大应力、Tsai-Hill、Tsai-Wu Azzi-Tsai-Hill和最大应变等理论研究纤维、基体和界面失效，以及纤维屈曲失效等失效模式；采用Rebar单元模拟纤维增强复合材料中的纤维，并可以把它们定义在独立的壳单元、薄膜单元和表面单元内部再嵌入到模拟基体的实体单元中，方便用户进行灵活的建模和后处理；ABAQUS提供了壳单元到实体单元的子模型功能和壳单元到实体单元的Tie约束功能，可以对复合材料局部重要区域方便地进行细节建模；用户自定义材料机械性能（UMAT）子程序可以由用户定义各种复杂的机械本构模型，UMATs已经被广泛用于研究金属基体复合材料、固化、纤维抽拔和其他对复合材料很重要的局部效应。

在橡胶材料方面，橡胶本构模型种类齐全，达16种之多，可以模拟各种橡胶材料的特性；可以直接输入橡胶材料的试验参数，生成对应的橡胶模型，并对模型的稳定性进行检验，确定稳定收敛区间；ABAQUS目前独有的Mullin效应模拟可以在橡胶的超弹性本构中考虑加载和卸载中应变能的损失，以及转化为热能的效应，为精确模拟橡胶减振性能和工作中生热情况提供了途径，资料显示相比其他通用有限元软件，考虑Mullin效应的模型在处理橡胶大变形问题中与试验结果对比更为接近；橡胶模型与接触/摩擦功能能很好地结合，能处理橡胶材料的软化、老化等问题；经长期的工程应用，ABAQUS的垫片单元（∗Gasket）被公认可以方便有效地模拟橡胶垫圈密封的机理和现象，广泛用于汽车发动机等复杂机械结构的密封分析中。

接头密封问题中，应力集中现象和接触效应同时存在。二阶单元模拟应力集中较精确，但不适用于模拟接触问题；一阶单元适合模拟接触问题，但模拟应力集中效应不精确。ABAQUS改进的连续体单元是二阶单元，但可以很好地处理接触问题，因此可以最有效地分析解决密封问题。

ABAQUS具有强大的热固耦合分析功能，包括稳态热传导和瞬态热传导分析、顺序耦合热固分析、完全耦合热固分析、强制对流和辐射分析、热界面接触分析、热电耦合分析、摩擦生热分析等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、聚合物、复合材料等电子材料的热学和力学性质。ABAQUS包括51种纯热传导和热电耦合单元，83种隐式和显式完全热固耦合单元，覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类型，包括一阶和二阶单元，为用户建模提供了极大的方便。ABAQUS还是世界上各大汽车厂商分析发动机中热固耦合和接触问题的标准软件，如奥地利著名发动机生产商AVL在自己的发动机分析软件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作为求解器。

ABAQUS具有更方便和灵活的二次开发工具。ABAQUS基于高级语言的用户子程序为用户开发自己的单元、材料和分析流程提供了强大的工具，这也是广大非线性高端用户选择ABAQUS进行了大量深入的研究工作的原因。

材料的剥离与失效可以在ABAQUS中得到很好的模拟，包括模拟冲击材料的双面磨损功能。另外，ABAQUS的自适应网格功能为克服和补偿切割过程的大变形带来的网格奇异造成的计算误差提供了有力的手段。

Fe-Safe提供了金属和非金属材料疲劳寿命预估功能。它依托于ABAQUS的求解器模块，将ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的应力分析结果根据载荷出现的几率进行数理统计和分析，得到疲劳寿命的预估值，并可以用ABAQUS/CAE的图形界面进行处理，得到用户关心的参数，有效地指导结构的疲劳设计。

ABAQUS提供的多体动力学分析功能，为机械设备的操纵和传动系统等机构分析和运动过程模拟等提供了强有力的工具。在此基础上，作为功能强大的有限元分析软件，ABAQUS还可以利用子结构方法对结构运动过程中的变形和应力分布情况进行实时的模拟和分析。截止到目前，考虑非线性的机构和结构联合分析功能仍然是ABAQUS所独有的。

ABAQUS作为求解器在热固耦合和接触问题中的应用分析

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