2006年 工 程 图 学 学 报2006第5期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.5
有限元分析系统ABAQUS中的特征技术
张玉峰1，朱以文1，丁宇明2
（1. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072；2. 武汉大学城市设计学院，湖北武汉 430072）
摘要： ABAQUS是目前最先进的大型通用非线性有限元分析系统，也是唯一应用了特征技术的有限元分析软件。通过剖析其特征技术应用的特点及其问题，对自主开发基于特征的有限元建模软件具有重要的参考价值。首先介绍了ABAQUS中基于零件和装配概念的有限元模型的建模方式，其次分析研究了ABAQUS前处理模块ABAQUS/CAE中的特征技术及其应用特点，具体分析并总结了其形状特征的分类及生成方法，剖析了ABAQUS 中分析属性（分析类型、材料、载荷和边界条件等）与特征之间的关系，网格生成与特征之间的关系，最后指出了其特征技术应用存在的不足和缺陷，并给出了进一步改进的一些建议。
关键词：计算机应用；特征技术；分析；ABAQUS软件；特征造型；有限元分析；
形状特征；分析属性特征；系统集成
中图分类号：TP 391
文献标识码：A 文章编号：1003-0158(2006)05-0142-07
Feature Technology of Finite Element Analysis System ABAQUS
ZHANG Yu-feng1, ZHU Yi-wen1, DING Yu-ming2
( 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China; 2. School of Urban Design, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )
Abstract: Nowadays, ABAQUS is the most advanced finite element analysis system for solving non-linear problems in the world. It is also only one finite element analysis system which applies feature technology. Studying its characteristics and some problems of feature technology application is very important for developing feature-based finite element modeling software by ourselves. Firstly, this paper introduces the modeling mode of ABAQUS which is based on the conceptions of part and assemble, secondly, studies feature technology and its applications in ABAQUS/CAE——the preprocessing module of ABAQUS, concretely analyzes and summarizes the category of form feature and its generation methods, especially studies relationship between form feature and analysis attribute feature (analysis type, material, load and boundary conditions etc.), relationship between form feature and mesh generation, finally, the paper points out that ABAQUS has some deficiencies in applying feature technology, and provides some advice for improving the functions of ABAQUS.
Key words: computer application; feature technology; analysis; ABAQUS; feature-based modeling; finite element analysis; form feature; analysis attribute feature; system integrating
收稿日期：2006-04-30
作者简介：张玉峰（1966-），男，甘肃礼县人，副教授，博士，主要研究方向为CG&CAD，结构工程，基于数字影像和激光扫描的三
美国的非线性有限元力学分析软件ABAQUS[1]~[4]以非线性分析的专长而著称，其最新版本ABAQUS 6.4-2是目前普遍公认的世界上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件。其核心模块主要有3个，即两个主分析模块：ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和一个集成化的人机交互图形工作界面ABAQUS/CAE（a Complete Abaqus Environment，一个完整的集成化工作环境），其中ABAQUS/Standard是通用分析模块，ABAQUS/Explicit是显式分析模块，ABAQUS/CAE是前后处理模块。
ABAQUS/CAE一个显著的特点是采用了当前最先进的CAD建模方式——基于特征的参数化建模方式来建立其几何模型，也是目前唯一提供这种几何建模方法的有限元前处理程序。作者旨在通过剖析ABAQUS/CAE中的特征技术应用特点，从而揭示有限元分析建模中特征技术的重要价值和意义。
1 ABAQUS中基于零件和装配概
念的有限元建模方式
有限元模型的建立过程是先建立分析问题的几何模型，然后指定分析类型和材料特性、定义边界条件和施加载荷，形成具有完整分析属性的属性模型，最后进行网格划分形成用于有限元分析的离散模型，这也是最终建立的有限元分析模型[5]。
ABAQUS/CAE用10个功能模块[1]~[4]：Part、Property、Assembly、Step、Interaction、Load、Mesh、Job、Visualization、Sketch顺次完成有限元建模、分析计算、后处理等。ABAQUS/CAE 采用了基于零件和装配概念的参数化特征有限元建模方式，即首先用Part模块创建模型的零部件，接着用Property模块定义材料属性和截面，以截面为载体将材料属性赋予零件，然后用Assembly模块将各个零件装配成完整的几何模型。在Step模块中定义分析步和计算结果输出的变量要求。在Interaction模块中定义部件间的接触特性，接触特性可以看成是一种特殊的载荷或边界约束。在Load模块里指定载荷和边界条件。在Mesh模块中完成有限元网格的划分。网格划分完成后，完整的有限元分析模型就形成了，分析模型的所有数据全部存储于模型数据库（.cae）中。模型生成后，可用Job模块提交分析任务，进行分析并监控和诊断分析过程，分析计算完成后，将计算结果存储在输出数据库中（.odb），用于后处理显示各种图形。
2 ABAQUS/CAE中的特征技术及
其应用特点分析
2.1 几何模型建立中的特征技术
ABAQUS/CAE的Part模块实际上是一个基于特征的参数化造型系统，用它可以构建任何复杂的零件级几何模型。其提供的特征管理器允许用户操作（编辑、删除、重命名、隐藏、恢复、重生成等）和查询模型的所有特征，同时可以显示特征间的继承关系（哪个是父特征哪个是子特征）。零件可以是二维、三维或轴对称的，每个零件可以包含实体、曲面、曲线、点等特征，零件可以是变形体也可以是刚体。其提供的零件管理器可以显示模型中所有的零件，并允许用户对零件进行拷贝、删除、重命名和编辑，同时可以方便地查询组成零件的特征和零件的几何特性（如体积、惯性矩、任意两点距离等）。
2.1.1 形状特征的分类
把有限元模型中的特征分两大类分析属性特征和形状特征。分析属性特征包括分析类型、材料、载荷、边界条件等。通过分析，作者将ABAQUS/CAE中的形状特征概括为基础特征、正特征、负特征、虚特征、草图特征、装配特征等几类。
（1）基础特征基础特征用来创建零件的“毛坯”，在此基础上以“加”和“减”两种方式增加零件的细部特征来对一个零件造型。基础特征分类如图1所示。图2表示了一个零件的特征造型过程。
第5期 张玉峰等：有限元分析系统ABAQUS中的特征技术·143·
（2）正特征 正特征是迭加在基础特征或
其它特征上的特征，是ABAQUS 用来以“加”
方式创建零件的特征。正特征可以分为实体特征
（Solid ）、壳特征或表面特征（Shell ）、线特征
（Wire ）3种。创建实体特征的方法有3种：拉
伸（Extrude ）、旋转（Revolve ）、扫掠（Sweep ）。
创建表面特征的方法有6种：拉伸（Extrude ）、
旋转（Revolve ）、扫掠（Sweep ）、平面（Planar ）、
选择实体的表面（From Solid ）、删除实体表面
法（Remove Face ）。其中，选择实体的表面就
是指定实体的某些表面将其自动转换为表面特征；删除实体表面法就是将实体的某些表面删除，使剩下的表面自动转换为表面特征。创建线特征的方法有两种：平面（Planar ）、连接两点的直线（Two Points ），即用平面内的直线或曲线创建线特征，连接两点构造直线特征。正特征的分类如图3所示。 （3）负特征 负特征是用来切割基础特征或其它特征的特征，是ABAQUS 用来以“减”方式创建零件其它细部特征的特征。负特征可以分为切割特征（Cut ）和倒角特征（Blend ）或过渡特征。切割可以用拉伸、旋转、扫掠、圆孔等方式实现，倒角特征又分为直角特征和圆角特征。负特征的分类如图4所示。 （4） 虚特征 虚特征不是组成零件的特征，
它主要用来在零件创建过程中，对特征的定位、生成等起辅助作用和对零件进行区域切分以便
定义材料、载荷、边界条件和划分网格等。在
(a) 生成拉伸基础特征
(b) 添加拉伸壳特征(c) 切割拉伸实体特征 图2 零件的特征造型过程举例 ·144· 工 程 图 学 学 报 2006年
ABAQUS中，虚特征可分为基准特征和切分特征。基准特征包括基准点、基准平面、基准轴、基准坐标系。切分特征包括切分实体、切分面、切分边。虚特征的分类如图5所示。
（5）草图特征ABAQUS/CAE 使用平面绘图器来定义二维零件的二维几何构形，定义三维零件的特征截面。草图特征的分类如图6所示。
（6）装配特征待所有零件创建完成后，用Assembly模块来装配零件以形成一个完整的模型，在装配时可用各种定位工具方便地将零部件连接在一起。这种定位工具就是装配特征或约束特征。装配特征的分类如图7所示。
2.1.2 形状特征的生成方法
ABAQUS在基于特征的参数化建模时，首先用Part creation创建基础特征，然后用如图8所示的5种工具箱来创建：Solid Features（实体特征）、Shell Features（壳特征）、Wire Features （线特征）等正特征，以及Cut Features（切分特征）、Blend Features（倒角特征）等负特征。形状特征的生成方法一般是拉伸、旋转、扫描等。先在平面绘图器（Sketch）中随意地勾画特征的截面轮廓线，同时系统自动标注出特征截面轮廓的尺寸，用鼠标点击尺寸并在尺寸文本框中输入精确的尺寸数值，草图动态自动精确化。草绘完成后，用拉伸、旋转、扫描等方法将草绘截面生成所要求的形状特征。特征生成后，还可以利用特征编辑器修改特征。只要特征的某一参数发生改变，所有包含此特征的模型均发生联动的改变。
图3 正特征分类图
图4 负特征分类图
图5 虚特征分类图
第5期 张玉峰等：有限元分析系统ABAQUS中的特征技术·145·
2.2属性模型建立中的特征技术
2.2.1 分析属性的定义方式
在ABAQUS/CAE中，用户可以方便直观地定义分析类型、材料、载荷和边界条件等分析属性。如前所述，用户可在Property模块中定义模型的材料特性和截面特性，材料特性以截面特性为载体被分配给整个模型或模型中的某些特征。相应地通过材料管理器和截面管理器来对材料特性、截面特性进行管理（创建、修改、拷贝、删除、重命名）。在Load模块中定义作用于模型的初始条件、载荷和边界条件。相应地通过载荷管理器(Load Manager)、边界条件管理器(BC Manager)和域管理器(Field Manager)来对载荷、边界条件、初始条件进行管理（生成、复制、重命名、删除等）。实际上在Interaction模块里定义的模型各区域之间或模型的一个区域与环境之间的力学和热学的相互作用也是一种特殊的边界约束或载荷。上述载荷、边界约束以及初始条件在定义完成后，以特征为对象直接施加到几何模型上，如面载荷施加在模型的某一表面（即形状特征的表面）上，边界条件也是施加在形状特征表面上的。
2.2.2 分析属性与特征的关系
那么分析属性作为非几何信息与形状特征之间的关系到底如何？众所周知，在特征技术中，特征是信息集成的单元，这个单元的集成信息里包含几何信息与非几何信息。作为完全意义上的基于特征的有限元建模应该将分析属性等非几何信息作为特征信息的一部分，应与形状特征密不可分。为了验证在ABAQUS/CAE中是否存在这种关系，以图9所示的悬臂梁模型为例进行分析验证。悬臂梁顶部作用有0.5Mpa的表面均布压力，材料为钢材（弹性模量取E=209Gpa，泊松比取3.0
=
ν），首先在ABAQUS/CAE中建立有限元模型，梁的几何模型采用拉伸特征建立，即首先草绘长和宽分别为200和20的截面特征，再指定延伸深度为25形成悬臂梁三维实体特征模型，然后定义材料、施加载荷和边界条件、定义分析类型、分析步、划分网格、定义并提交分析任务进行分析。对特征做了两种改变，第一是修改特征参数，将延伸深度改为50。第二是在梁的中部添加一个半径为8的切割孔特征（图10），并在孔的内表面施加表面均布压力。在第1种情况下，形状特征发生了改变，但载荷和边界条件均保持原状没有变化。在第2种情况下，当把孔特征删除后，圆孔表面的压力载荷依然存在于载荷管理器中，没有被删除，利用载荷编辑器对这一压力进行修改时，软件提示该载荷所依附的几何区域不存在，要求用户将该荷载从载荷管理器中删除或指定到模型的其它表面。由此可见，在ABAQUS/CAE中，载荷、边界条件与形状特征之间没有紧密耦合，材料、分析类型与形状特征之间存在类似关系。可见分析属性与形状特征没有紧密耦合，实质上分析属性没有看成是特征的重要组成部分，即在作为特征的信息集成单元中没有分析属性这一十分重要的非几何信息。作者认为这是ABAQUS/CAE应用特征技术的一大缺陷，不利于有限元模型的自适应修改，也不利于实现CAD/CAE的无缝集成，需要进一步改进。
图8 形状特征生成工具箱
图9 悬臂梁模型
·146· 工 程 图 学 学 报 2006年
2.3 离散模型建立（网格生成）中的特征技术 2.
3.1 ABAQUS 中有限元网格的生成方式
ABAQUS/CAE 在Mesh 模块中进行有限元网格划分。ABAQUS/CAE 提供了多种网格自动生成和控制技术以方便用户剖分出满足分析要求的高质量网格。在网格剖分时首先对模型赋予网格属性（网格种子、网格划分技术、单元类型等），然后再实施网格剖分。用网格种子(Seed Part Instance)菜单定义网格种子用来控制单元网格密度，网格种子通常是实际网格分布的一个标志，可以对整个模型定义统一的网格种子，也可以对模型的某条边定义均匀或不均匀的网格种子。网格种子定义完成后，用网格控制（Assign Mesh Controls ）菜单指定单元的形状和网格划分技术。用选择单元类型（Assign Element Type ）菜单指定单元的类型。用网格划分（Mesh Part Instance ）菜单实现网格的自动剖分。作者发现ABAQUS 赋予模型网格属性的整个过程是基于特征的，这样一来，如果用户对定义零件或装配零件的特征参数作了修改，则用户在Mesh 模块中指定的那些网格属性会自动重新生成。此外，ABAQUS/CAE 为了直观，对不同的区域用不同的颜色显示相应的网格划分技术，如用绿颜色显示能够划分结构化网格的区域，用紫色显示能够划分自由网格的区域，用黄色显示能够用扫描法划分网格的区域，用桔黄色显示不能自动划分网格的区域（这些区域必须用切分工具切分成几个简单的子域才能用指定的剖分技术划分网格）等。ABAQUS/CAE 为了保证同一部件不同区域的网格的相容性，会自动生成面连接(Tie)协调这两个区域。所以，不同部件(Part)间的网格不需要作协调处理。
2.3.2 网格生成与特征的关系
从前面的分析可知，ABAQUS/CAE 划分有限元网格时，首先定义网格属性（网格种子、单元形状和网格生成技术、单元类型等）。这些网格属性的赋予是基于特征的。但是，通过简单的实例验证，发现和分析属性一样，有限元网格与形状特征之间没有紧密的耦合关系。当网格生成后，若对模型的形状特征进行了修改，则与之对应的网格不会自动进行联动的自适应修改。如 图11所示，当对悬臂梁中部实行增加孔特征和删除孔特征等特征编辑操作后，网格不会自动联动变化，用户必须应用网格划分技术重新生成网格。这说明，尽管网格属性是基于特征指定的，但形状特征与网格之间只有单向的联系，没有紧密的耦合关系。所以特征的修改不能实现网格的自适应变化。这是ABAQUS/CAE 应用特征技术建立有限元模型的另一大缺陷，应该加以改进。
3 ABAQUS 中特征技术应用的讨论
ABAQUS 是众多有限元软件中第1个应用特征技术建立有限元模型的大型通用有限元分析系统。它采用了与当前流行CAD 软件一致的造型技术——参数化的基于特征的造型技术，来建立几何模型。从而提高了建立几何模型的效率，为几何模型的修改带来了很大的灵活与方便。ABAQUS/CAE 应用特征技术建立有限元模型的特点可概括为以下两个方面：
（1）支持非流形几何造型技术。三维实体模型中允许有悬边、悬面，即建立的模型可以是一维、二维、三维的混合维模型，这反映了分析人员的分析意图，真正体现了有限元分析建模的根本要求。
（2）几何模型的建立完全应用了基于特征的参数化技术，为模型的随意修改带来了前所未有的方便与灵活，这是其他有限元系统难得的成功之处，也是ABAQUS 前处理功能的最大优点。但是，ABAQUS/CAE 特征技术的应用仍存在较大的局限性。主要表现在：
1
）分析属性没有正真当作非几何特征附着
图10
具有切割孔特征的悬臂梁模型
图11 特征修改对网格的影响
第5期 张玉峰等：有限元分析系统ABAQUS 中的特征技术 ·147·
于形状特征上，其特征建模纯粹是形状特征的建
模，分析类型、载荷、边界条件、材料等分析属
性与形状特征之间缺乏紧密的耦合关系，导致几
何模型修改时，无法实现分析属性的自适应修
改，即缺乏联动机制，不利于有限元模型的自适
应修改，不利于实现特征造型系统与有限元分析
系统的无缝集成。
2）网格是对零件的实例划分的，尽管网格
属性（网格密度控制参数、单元形状、网格划分
技术、单元类型等）是基于形状特征指定的，但
网格与形状特征之间同样缺乏紧密的耦合关系
和联动机制，导致特征的修改无法引起网格的自
动重新生成。
3）ABAQUS/CAE 的网格自动划分技术仅仅
面向纯粹的几何模型，没有考虑分析属性对网格
划分的影响。对如图12所示的平板面来说，不
论其上作用的荷载是面荷载还是集中荷载，
ABAQUS/CAE 都将其划分成均匀一致的结构化网格，即把网格剖分看成纯几何问题来处理，这是有极大缺陷的。网格划分的结果不仅与分析模型的几何形状有关，而且与荷载、边界约束的作用形式紧密相关。因此，ABAQUS/CAE 的网格划分没有真正完全应用特征技术（几何特征与非几何特征），和传统有限元分析系统的网格划分技术没有太大区别。 4）ABAQUS/CAE 不具备一维、二维、三维等混合维网格的自动划分技术。 5）ABAQUS/CAE 从外部导入的CAD 模型只能看作单一的零件来处理，不能通过修改参数进行编辑。这就意味着，从外部导入的CAD 模型即使非常复杂，但只把它整体看成单一的零件或单一的形状特征，只能在其上切割负特征和叠加正特征，无法通过改变形状参数直接修改其形状。
6）没有提供对其它特征造型系统的CAD 模型实行细节编辑和减维抽象的功能[5]。 总之，ABAQUS/CAE 中应用特征技术建立
有限元模型，仅仅在几何模型这一层面上应用形
状特征实现了参数化的特征建模，但在分析属性
定义、有限元网格划分等方面，特征技术的应用
还十分不够。所以用文献［5］的观点来看，
ABAQUS/CAE 只能建立基于特征的几何模型，
还无法建立基于特征的属性模型、抽象模型和离散模型，其特征技术的应用仅仅是基于特征的几何造型，而不是基于特征的有限元分析模型的建立。
4 结 束 语
尽管ABAQUS 在其前处理系统中有效地应
用了特征造型技术，在建模效率方面明显优越于其他有限元系统。但应该看到，目前还没有真正意义上的基于特征的有限元建模商用系统，要真正实现基于特征的有限元建模还有许多研究和开发工作要做。要真正实现基于特征的有限元建
模，必须将分析属性作为密不可分的特征信息附着在形状特征上，实现分析属性、网格与形状特征的全相关和联动机制，从而实现特征改变引起模型的自适应修改。同时为了实现与现有CAD 系统集成，ABAQUS 应该发展对CAD 模型自动抽象简化的功能。 参 考 文 献
[1] [EB/OL]. https://www.doczj.com/doc/0f10727552.html, [2] [EB/OL]. https://www.doczj.com/doc/0f10727552.html,
[3] [EB/OL]. https://www.doczj.com/doc/0f10727552.html, [4] [EB/OL]. https://www.doczj.com/doc/0f10727552.html,
[5] 张玉峰. 特征造型技术在有限元分析建模中的应用
研究[D]. 武汉: 武汉大学
, 2004.
图12 考虑载荷等分析属性对网格划分的影响而产生的网格剖分结果 作用集中载荷的板传统有限元建模的网格划分
(不考虑载荷属性的纯几何处理)基于特征的有限元建模的网格划分
(考虑载荷特征的网格划分)
·148· 工 程 图 学 学 报 2006年
基于ABAQUS的有限元分析和应用 第一章绪论 1.有限元分析包括下列步骤： 2.为了将试验数据转换为输入文件，分析者必须清楚在程序中所应用的和由实验人员提供的材料数据的应力和应变的度量。 3.ABAQUS建模需注意以下内容： 4.对于许多包含过程仿真的大变形问题和破坏分析，选择合适的网格描述是非常重要的，需要认识网格畸变的影响，在选择网格时必须牢牢记住不同类型网格描述的优点。 第二章ABAQUS基础 1.一个分析模型至少要包含如下的信息：离散化的几何形体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。 ①离散化的几何形体：模型中所有的单元和节点的集合称为网格。 ②载荷和边界条件： 2.功能模块： （1）Assembly（装配）：一个ABAQUS模型只能包含一个装配件。 （2）Interaction（相互作用）：相互作用与分析步有关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。 （3）Load（载荷）：载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户指定载荷和边界条件是在哪些分析步中起作用。 （4）Job（作业）：多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。 3.量纲系统 ABAQUS没有固定的量纲系统，所有的输入数据必须指定一致性的量纲系统，常用的一致性量纲系统如下：
4.建模要点 （1）创建部件：设定新部件的大致尺寸的原则必须是与最终模型的最大尺寸同一量级。（2）用户应当总是以一定的时间间隔保存模型数据（例如，在每次切换功能模块时）。（3）定义装配： 在模型视区左下角的三向坐标系标出了观察模型的方位。在视区中的第2个三向坐标系标出了坐标原点和整体坐标系的方向（X，Y和Z轴）。 （4）设置分析过程： （5）在模型上施加边界条件和荷载： 用户必须指定载荷和边界条件是在哪个或哪些分析步中起作用。 所有指定在初始步中的力学边界条件必须赋值为零，该条件是在ABAQUS/CAE中自动强加的。 在许多情况下，需要的约束方向并不一定与整体坐标方向对齐，此时用户可定义一个局部坐标系以施加边界条件。 在ABAQUS中，术语载荷通常代表从初始状态开始引起结构响应发生变化的各种因素，包括：集中力、压力、非零边界条件、体力、温度（与材料热膨胀同时定义）。
一、有限单元法的基本原理 有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。 有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。由位移求出应变, 由应变求出应力 二、ABAQUS有限元分析过程 有限元分析过程可以分为以下几个阶段 1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。
2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。 由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成 3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理， 并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。 下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。 “Part（部件） 用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。 Property（特性） 截面（Section）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。 Assembly（装配件） 所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本（instance），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。 一个ABAQUS模型只包含一个装配件。
Abaqus分析报告 （齿轮轴） 名称：Abaqus齿轮轴 姓名： 班级： 学号： 指导教师：
一、简介 所分析齿轮轴来自一种齿轮泵，通过用abaqus软件对齿轮轴进行有限元分析和优化。齿轮轴装配结构图如图1，分析图1中较长的齿轮轴。 图1.齿轮轴装配结构图 二、模型建立与分析 通过part、property、Assembly、step、Load、Mesh、Job等步骤建立齿轮轴模型，并对其进行分析。 1.part 针对该齿轮轴，拟定使用可变型的3D实体单元，挤压成型方式。 2.材料属性 材料为钢材，弹性模量210Gpa，泊松比0.3。
3.截面属性 截面类型定义为solid，homogeneous。 4.组装 组装时选择dependent方式。 5.建立分析步 本例用通用分析中的静态通用分析（Static，General）。 6.施加边界条件与载荷 对于齿轮轴，因为采用静力学分析，考虑到前端盖、轴套约束，而且根据理论，对受力部分和轴径突变的部分进行重点分析。 边界条件：分别在三个轴径突变处采用固定约束，如图2。 载荷：在Abaqus中约束类型为pressure，载荷类型为均布载荷,分别施加到齿轮接触面和键槽面，根据实际平衡情况，两力所产生的绕轴线的力矩方向相反，大小按比例分配。 均布载荷比计算： 矩形键槽数据： 长度：8mm、宽度：5mm、高度：3mm、键槽所在轴半径：7mm 键槽压力面积：S1 = 8x3=24mm2 平均受力半径：R1=6.5mm 齿轮数据：= 齿轮分度圆半径：R2 =14.7mm、压力角：20°、 单个齿轮受力面积：S2 ≈72mm2 通过理论计算分析，S1xR1xP1=S2xR2xP2，其中，P1为键槽均布载荷
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算 在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。 1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。 2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。 3) Property功能模块:定义材料和截面属性。 4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分 技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。 5) Assembly功能模块:创建非独立实体。 6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。 7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。 8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。 9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。 10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。 结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。 1.问题描述 所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
ABAQUS有限元接触分析的基本概念2009-11-24 00:06:28 作者：jiangnanxue 来源：智造网—助力中国制造业创新—https://www.doczj.com/doc/0f10727552.html, CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1 点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis - cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surface discretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slave surface)上的每个节点与该节点在主面(master surface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
Abaqus有限元分析中的沙漏效应[转] 2011-09-21 17:34:27| 分类：有限元 | 标签： |字号大中小订阅 1. 沙漏的定义 沙漏hourglassing一般出现在采用缩减积分单元的情况下： 比如一阶四边形缩减积分单元，该单元有四个节点“o”，但只有一个积 分点“*”。而且该积分点位于单元中心位置，此时如果单元受弯或者受剪，则必然会发生变形，如下图a所示。 关于沙漏问题，建议看看abaqus的帮助文档，感觉讲的非常好，由浅入深，把深奥的东西讲的很容易理解。 沙漏的产生是一种数值问题，单元自身存在的一种数值问题，举个例子，对于单积分点线性单元，单元受力变形没有产生应变能--也叫0能量模式，在 这种情况下，单元没有刚度，所以不能抵抗变形，不合理，所以必须避免这种情况的出现，需要加以控制，既然没有刚度，就要施加虚拟的刚度以限制沙漏 模式的扩展---人为加的沙漏刚度就是这么来的。 关于沙漏现象的判别，也就是出现0能模式的方法最简单的是察看单元变 形情况，就像刚才所说的单点积分单元，如果单元变成交替出现的梯形形状， 如果多个这样的单元叠加起来，是不是象我们windows中的沙漏图标呢？ ABAQUS中沙漏的控制： *SECTION CONTROLS：指定截面控制 警告：对于沙漏控制，使用大于默认值会产生额外的刚度响应，甚至当值 太大时有时导致不稳定。默认沙漏控制参数下出现沙漏问题表明网格太粗糙， 因此，更好的解决办法是细化网格而不是施加更大的沙漏控制。 该选项用来为减缩积分单元选择非默认的沙漏控制方法，和standard中的修正的四面体或三角形单元或缩放沙漏控制的默认系数；在explicit中，也 为8节点块体单元选择非默认的运动方程：为实体和壳选择二阶方程、为实体 单元激活扭曲控制、缩放线性和二次体积粘度、设置当单元破损时是否删除他们、或为上述完全破损的单元指定一标量退化参数。等 必需参数： NAME：名字 可选参数： DISTORTION CONTROL：只用于explicit分析。=YES激活约束防止负体积 单元出现或其他可压缩材料的过度变形，这对超弹材料是默认的。DISTORTION
1.梁C 的主要参数： 其中：梁长3000mm ，高为406mm ，上下部保护层厚度为38mm ，纵筋端部保护层厚度为25mm 抗压强度：35.1MPa 抗拉强度：2.721MPa 受拉钢筋为2Y16，受压钢筋为2Y9.5，屈服强度均为440MPa 箍筋：Y7@102，屈服强度为596MPa 2.混凝土及钢筋的本构关系 1、运用陈光明老师的论文（Chen et al. 2011）来确定混凝土的本构关系： 受压强度： 其中C a E ==28020，c f ρσ'=，0.002ρε= 2、受压强度与开裂位移的相互关系：
其中123.0, 6.93c c == 3、损伤因子： 其中c h = e=10（选取网格为10mm ） 4、钢筋取理想弹塑性 5、名义应力应变和真实应力及对数应变的转换： ln (1)ln(1)true nom nom Pl true nom E σσεσε ε=+=+- 6、混凝土最终输入的本构关系如下： compressive behavior tensile behavior tension damage yield stress inelastic strain yield stress displacement parameter displacement 21.50274036 2.721 25.56359281 2.72247E-05 2.683556882 0.0003129 0.18766492 0.0003129 28.88477336 8.85105E-05 2.646628319 0.0006258 0.31902609 0.0006258 31.43501884 0.000177278 2.610210508 0.0009387 0.41606933 0.0009387 33.24951537 0.000292271 2.574299562 0.0012516 0.49065237 0.0012516 34.40787673 0.000430648 2.538891515 0.0015645 0.54973463 0.0015645 35.01203181 0.000588772 2.503982327 0.0018774 0.5976698 0.0018774 35.16872106 0.000762833 2.46956789 0.0021903 0.63732097 0.0021903 34.97805548 0.000949259 2.435644029 0.0025032 0.67064827 0.0025032 34.52749204 0.001144928 2.402206512 0.0028161 0.69903885 0.0028161 33.88973649 0.001347245 2.369251048 0.003129 0.72350194 0.003129 33.17350898 0.001541185 2.336773294 0.0034419 0.74478941 0.0034419 32.38173508 0.001737792 2.30476886 0.0037548 0.76347284 0.0037548 31.54367693 30.68161799 0.001936023 0.002135082 2.27323331 2.242162167 0.0040677 0.0043806 0.77999451 0.79470205 0.0040677 0.0043806
问题一: 工字梁弯曲 1.1 问题描述: 在<<材料力学实验>>中，弯曲实验測定了工字梁弯曲应变大小及其分布，以验证弯曲正应力公式。在这里，採用ABAQUS/CAE建立试验件的有限元模型，ABAQUS/Standard模块进行分析求解，得到应力、应变分布，对比其与理论公式计算值及实验測量值的差別。 弯曲实验的相关数据： 材料：铝合金E=70GPa 泊松比0.3 实验装置结构简图如图所示： 结构尺寸测量值：H=50（+/-0.5mm） h=46(+/-0.5mm) B=40（+/-0.5mm） b=2(+/-0.02mm) a=300(+/-1mm) F1=30N Fmax=300N N ? F100 = 1.2 ABAQUS有限元建模及分析 一对象: 工字型截面铝合金梁 梁的结构简图如图1所示，結构尺寸、载荷、約束根据1.1设定，L取1600mm，两端各伸出100mm。 二用ABAQUS/CAE建立实验件的有限元模型,效果图如下： 边界条件简化： 左侧固定铰支座简化为下表面左参考点处的约束U1=U2=U3=0
右侧活动铰支座简化为下表面右参考点处的约束U1=U2=UR3=0 几何模型
有限元模型 三ABAQUS有限元分析結果 ①应力云图（Z方向正应力分量）：施加载荷前 F=300N
②应变（Z方向分量）： 中间竖直平面的厚度方向应变分布图： F=100N F=200N
F=300N 由上图可以看出应变沿着厚度方向呈线性比例趋势变化，与实验测得的应变值变化趋势相同。中性轴处应变均接近零值，应变与距离中性轴位移基本为正比关系。 1.3分析结果: 中间竖直截面上下边缘轴向应力数值对比：*10^-6 MPa 距中性轴距ABAQUS模拟实验测量值平均理论值 1/2H -96.182*70000 -97*70000 -6.9165=-70000*98.807 -1/2H 95.789*70000 92*70000 6.9165
Abaqus梁的开裂模拟计算报告 1.问题描述 利用ABAQUS有限元软件分析如图1.1所示的钢筋混凝土梁的裂缝开展。参考文献Brena et al.（2003）得到梁的基本数据： 图1.1 Brena et al.（2003）中梁C尺寸 几何尺寸：跨度3000mm，截面宽203mm，高406mm的钢筋混凝土梁 由文献Chen et al. 2011得材料特性： 1.混凝土：抗压强度f c’=35.1MPa，抗拉强度f t= 2.721MPa，泊松比ν=0.2，弹性模量 E c=28020MPa； 2.钢筋：弹性模量为E c=200GPa，屈服强度f ys=f yc=440MPa，f yv=596MPa 3.混凝土垫块：弹性模量为E c=28020MPa，泊松比ν=0.2 2.建模过程 1)Part 打开ABAQUS使用功能模块，弹出窗口Create Part，参数为：Name：beam；Modeling Space：2D；Type：Deformable；Base Feature─Shell；Approximate size：2000。点击Continue 进入Sketch二维绘图区。由于该梁关于Y轴对称，建模的时候取沿X轴的一半作为模拟对象。 使用功能模块，分别键入独立点(0,0),(1600,0),(1600,406),(406,0),(0,0)并按下下方提 示区的Done，完成草图。 图2.1 beam 部件二维几何模型
相同的方法建立混凝土垫块： 图2.2 plate 部件二维几何模型 所选用的点有(0,0),(40,0),(40,10),(0,10) 受压区钢筋： 在选择钢筋的base feature的时候选择wire，即线模型。 图2.3 compression bar 部件二维几何模型 选取的点(0,0),(1575,0) 受拉区钢筋： 图2.4 tension bar 部件二维几何模型 选取的点(0,0),(1575,0) 箍筋： 图2.5 stirrup 部件二维几何模型 选取的点为(0,0),(0,330) 另外，此文里面为了作对比，部分的模型输入尺寸的时候为m，下面无特别说明尺寸都为mm。
目录 第一章ABAQUS简介 (1) 第二章ABAQUS基本使用方法 (1) 第三章线性静力分析实例 (6) 第四章 ABAQUS的主要文件类型 (8) 第五章接触分析实例 (9) 第六章弹塑性分析实例 (13) 第七章热应力分析实例 (15) 第八章多体分析实例 (16) 第九章动态分析实例 (17) 第十章复杂工程分析综合实例 (20)
第一章ABAQUS简介 [1] (pp7) 在[开始] →[程序] →[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS COMMAND]，DOS提示符下输入命令 Abaqus fetch job =
1.分析过程 1.1.理论分析 1.2.简化过程 如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。 A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉； B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0； C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节； 1.3.Abaqus中建模 查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如错误!未找到引用源。所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如错误!未找到引用源。所示。
图 1-1 图 1-2 建立材料属性并将其赋予模型。在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为，如错误!未找到引用源。所示。 建立截面。点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的
各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如错误!未找到引用源。所示。 将截面属性赋予模型。选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。如错误!未找到引用源。所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。 图 1-3 图 1-4
图 1-5 然后，我们对建立的3D模型进行装配，在Abaqus中的Assembly模块中，我们同时调入两个模型，然后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance命令对模型进行移动，最终的装配结果如错误!未找到引用源。所示。 图 1-6 第四步，对模型进行网格划分。进入Abaqus中的Mesh模块，然后选择Bolt 零件，使用按边布种的方式对其进行布种，布种结果如错误!未找到引用源。所示。在菜单Mesh->Control中进行如错误!未找到引用源。所示的设置使用自由网格划分，其余设置使用默认。在菜单Mesh->Element type中选用如错误!未找到引用源。所示的设置。按下Mesh图标，对工件进行网格划分，最终的结果如错误!未找到引用源。所示。同样的方式对螺母模型nut进行网格划分，最终结
石亦平《ABAQUS有限元分析实例详解》之读后小结 第九章动态分析实例 [95] (pp280) ABAQUS包括两大类方法： 振型叠加法（modal superposition procedure）：用于求解线性动态问题； 直接解法（direct-solution dynamic analysis procedure）：主要用于求解非线性动态问题。 提示：ABAQUS的所有单元均可用于动态分析，选取单元的一般原则与静力分析相同。但在模拟冲击和爆炸载荷时，应选用一阶单元，因为它们具有集中质量公式，模拟应力波的效果优于 二次单元所采用的一致质量公式。 [96] (pp281) 振型叠加法的基础是结构的各阶特征模态（eigenmode），因此在建模时要首先定义一个 频率提取分析步（frequency extraction），从而得到结构的振型（mode shape）和固有频率（natural frequency），然后才能定义振型叠加法的各种分析步。振型叠加法包括4种分析类型： （1）瞬时模态动态分析（transient modal dynamic analysis）计算线性问题在时域（time domain）上的动态响应。用此分析要满足如下5个基本条件： (a) 系统是线性的（线性材料特性，无接触行为，不考虑几何非线性）。 (b) 响应只受相对较少的频率支配。当在响应中频率的成分增加时（例如打击和碰撞问题），振 型叠加法的效率将会降低。 (c) 载荷的主要频率应该在所提取的频率范围之内，以确保对载荷的描述足够精确。 (d) 特征模态应该能精确地描述任何突然加载所产生的初始加速度。 (e) 系统的阻尼不能过大。 （2）基于模态的稳态动态分析（mode-based steady-state dynamic analysis）在用户指定频率内的谐波激励下，计算引起结构响应的振幅和相位，得到的结果是在频域（frequency domain）上的。其典型分析对象包括发动机的零部件和建筑物中的旋转机械等。 （3）反应谱分析（response spectrum analysis）当结构的固定点处发生动态运动时，计算其峰值响应（位移、应力等），得到的结果是在频域上的。其典型应用是计算在发生地震时建筑物 的峰值响应。 （4）随机响应分析（random response analysis）当结构随机连续的激励时，计算其动态响应，
Abaqus螺栓有限元分析
1.分析过程 1.1.理论分析 1.2.简化过程 如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。 A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉； B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0； C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节； 1.3.Abaqus中建模 查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如图错误！文档中没有指定样式的文字。-1所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图错误！文档中没有指定样式的文字。-2所示。
图错误！文档中没有指定样式的文字。-1 图错误！文档中没有指定样式的文字。-2 建立材料属性并将其赋予模型。在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为0.3，如图错误！文档中没有指定样式的文字。-4所示。 建立截面。点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如图错误！文档中没有指定样式的文字。-5所示。
将截面属性赋予模型。选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。如图错误！文档中没有指定样式的文字。-3所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。 图错误！文档中没有指定样式的文字。-3 图错误！文档中没有指定样式的文字。-4