使用ABAQUS有限元程序进行模拟分析

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件［6～8］，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，其被各国的工业和研究中所广泛采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。ABAQUS 主要分析功能如表2－1 所示。

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件［6～8］，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS 除了能解决大量结构（应力／位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透／应力耦合分析）及压电介质分析。

ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，其被各国的工业和研究中所广泛采用。ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。ABAQUS 的分析领域几乎涵盖了线性、非线性，静态、准静态、稳态、动态等各种问题。ABAQUS 主要分析功能如表2－1 所示。

表2－1　ABAQUS 主要分析功能

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ABAQUS 的两个主求解器模块——ABAQUS／Standard 和ABAQUS／Explicit都可以进行准静态分析。显式求解方法是一种真正的动态求解过程，它的最初发展是为了模拟高速冲击问题，在这类问题的求解中惯性发挥了主导性作用。当求解动力平衡的状态时，非平衡力以应力波的形式在相邻的单元之间传播。由于最小稳定时间增量一般是非常小的值，所以大多问题需要大量的时间增量步。在求解准静态问题上，显式求解方法已经证明是有价值的，另外ABAQUS／Explicit 在求解材料高度非线性的静态问题方面比ABAQUS／Stand⁃ard 更容易，且需要较少的系统资源。

将显式动态过程应用于准静态问题需要一些特殊的考虑。由于一个静态求解是一个长时间的求解过程，所以在其固有的时间尺度上分析模拟常常在计算上是不切合实际的，它将需要大量小的时间增量。因此，为了较快地获取计算结果，必须采取一些方式来提高模拟效率。但是随着模拟效率的提高，静态平衡的状态将进入动态平衡的状态，在这里惯性力会成为更加起主导作用的力。因此，我们需要在提高计算效率的同时还要可以忽略惯性力的影响。

为了提高运算效率，缩短运算时间，可采用提高加载速率和质量缩放两种方式。质量缩放的原理为，人为地将材料密度增加f2倍，则波速就会降低因数f 倍，从而稳定时间增量将提高因数f 倍，可表示如下：

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式中：Δt 为稳定极限时间长度；Le为最小的特征单元长度；cd为材料的膨胀波速，E 为弹性模量，ρ 为材料密度。

当全局的稳定极限增加时，进行同样的分析所需要的增量步就会减少，而这正是质量放大的目的。但是，放大质量就会放大惯性效应，过度地质量放大可能导致错误的结果。而质量缩放存在一个范围，在该范围中，既能提高运算效率，又能几乎不影响运算结果的正确性。

应用质量缩放进行准静态分析时，对其结果正确与否的判断可以通过观察其内能、动能随时间变化的曲线，要求曲线尽可能平滑，且动能与内能的比值较小，一般应小于5%。另外，使用平滑曲线的加载方式可以减少加载过程中出现的振荡对模拟结果的影响。

使用ABAQUS有限元程序进行模拟分析

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