ABAQUS非线性分析

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CAE软件操作小百科（36）

作者：王峰

来源：《计算机辅助工程》2017年第02期

1如何利用Abaqus进行非线性屈曲分析

弧长法是目前结构非线性分析中数值计算最稳定、计算效率最高且最可靠的迭代控制方法之一，可用于跳跃失稳问题的研究，也可以用于分支屈曲的后屈曲研究. 分支屈曲的后屈曲分析不能直接在分支屈曲后面研究，而是要给一个初始缺陷，使力学响应呈连续状态（非线性）.

Abaqus根据分支屈曲模型取线性组合、根据静力分析结果或直接指定等3种方法定义初始缺陷. 若已知初始缺陷，则一般采用第一种方法.

（1）特征屈曲分析（分析步选择Buckle）. （2）将这些特征屈曲模态添加到理想的几何体中，作为初始缺陷（见图1，菜单栏中选择Model→Edit Keywords）. Abaqus通过节点标签输入初始缺陷（imperfection），但是软件不会去确认2个模型的兼容性，所以要特别注意节点标号的一致性. 一般来说因数w在第1阶模态最大，而且w一般取结构几

何参数的倍数，如壳的厚度的0.1倍等. （3）利用弧长法进行非线性分析（分析步选择Static，Riks）.

2如何在Abaqus中建立弹簧单元

在Abaqus中建立弹簧单元一般有2种方法：定义Spring单元和定义Wire Feature.

方法一：定义Spring单元. 在Abaqus/CAE中进入Interaction模块，在菜单栏中选择Special→Springs/Dashpots→Manager，进入弹簧阻尼单元管理器，可以选择创建两点弹簧或者接地弹簧，见图2. 点击Continue按钮可以对弹簧刚度、位置和自由度进行设置.

方法二：定义Wire Feature. （1）创建Wire Feature. 在Abaqus/CAE中进入Interaction模块，在工具条中选择（Create Wire Feature），在弹出的对话框中点击“+”，选择两点创建Wire

ABAQUS单元类型及特点汇总

1、 单元表征

单元族：单元名字里开始的字母标志着这种单元属于哪一个单元族。

C3D8I是实体单元；

S4R是壳单元；

CINPE4是无限元；

梁单元；

刚体单元；

膜单元；

特殊目的单元，例如弹簧，粘壶和质量；

桁架单元。

自由度dof（和单元族直接相关）：每一节点处的平动和转动

1 1方向的平动

2 2方向的平动

3 3方向的平动

4 绕1轴的转动

5 绕2轴的转动

6 绕3轴的转动

7 开口截面梁单元的翘曲

8 声压或孔隙压力

9 电势

11 度（或物质扩散分析中归一化浓度）

12＋梁和壳厚度上其它点的温度

轴对称单元

1 r方向的平动

2 z方向的平动

6 r-z方向的转动

节点数：决定单元插值的阶数

数学描述：定义单元行为的数学理论

积分：应用数值方法在每一单元的体积上对不同的变量进行积分。大部分单元采用高斯积分方法计算单元内每一高斯点处的材料响应。单元末尾用字母“R”识别减缩积分单元，否则是全积分单元。

ABAQUS拥有广泛适用于结构应用的庞大单元库。单元类型的选择对模拟计算的精度和效率有重大的影响；

节点的有效自由度依赖于此节点所在的单元类型；

单元的名字完整地标明了单元族、单元的数学描述、节点数及积分类型；

所用的单元都必须指定单元性质选项。单元性质选项不仅用来提供定义单元几何形状的附加数据，而且用来识别相关的材料性质定义；

对于实体单元，ABAQUS参考整体笛卡尔坐标系来定义单元的输出变量，如应力和应变。可以用*ORIENTATION选项将整体坐标系改为局部坐标系；

对于三维壳单元，ABAQUS参考建立在壳表面上的一个坐标系来定义单元的输出变量。可以用*ORIENTATION选项更改这个参考坐标系。

2．实体单元(C)

实体单元可在其任何表面与其他单元连接起来。

C3D:三维单元

CAX:无扭曲轴对称单元，模拟3600的环，用于分析受轴对称载荷作用，具有轴对称几何形状的结构；

定义ABAQUS分析步及输出

ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，用于进行结构和材料的非线性有限元分析。在ABAQUS中，分析步是指模拟结构在时间上的演化过程，输出则是指对分析结果的检测和处理。

一、ABAQUS的分析步

ABAQUS中的分析步用于描述模型的运动和应力应变状态的演化情况，通过定义不同的分析步可以模拟不同的物理过程和加载条件。

1.静力分析步：这是最基础的分析步类型，用于模拟结构在静力加载下的行为。静力分析步中的加载可以是恒定的或者是按照一定的时间函数变化的。在静力分析步中，结构的应力应变状态被认为是平衡的。

2.动力分析步：该步骤用于模拟结构在动力加载下的行为。动力分析步中的加载可以是周期性的、脉冲的、随机的等等。在动力分析步中，结构的应力应变状态随时间而变化。

3.热分析步：用于模拟材料在不同温度条件下的热行为。热分析步包括传热、热膨胀和热应力等。

4.接触分析步：用于模拟接触问题，例如刚性接触、摩擦接触等。接触分析步中，通过定义接触边界条件和接触特性来模拟接触行为。

5.融合分析步：用于模拟结构在拉伸、压缩、剪切等加载下的塑性和破裂行为。融合分析步通常包括弹塑性材料本构关系、破裂准则等。

6.稳态分析步：用于模拟结构在稳态加载下的行为，例如结构在恒定温度或恒定力加载下的应力应变状态。 除了以上常见的分析步类型，ABAQUS还提供了许多其他类型的分析步，例如电磁场分析、疲劳分析、生物力学分析等，以适应不同领域的应用需求。

二、ABAQUS的输出

在分析过程中，ABAQUS会输出大量的结果数据和信息以帮助用户了解模型的应力应变状态和物理行为。ABAQUS的输出结果可以分为以下几类：

1.节点和单元数据：ABAQUS会输出模型中每个节点和单元的位移、速度、应力、应变等数据，以及其他相关属性如质量、体积等。这些数据有助于确定结构的局部和整体行为，以及结构的应力集中区域。

2.特征数据：ABAQUS还提供一些用于描述模型行为的特征数据，如结构的自然频率、振型、模态参与因子等。这些数据对于了解结构的固有特性和响应振动问题非常重要。

ANSYS与ABAQUS软件介绍及对比

1.功能和应用领域：

ANSYS是一款强大的通用有限元分析软件，包括结构、热力学、流体力学等多个领域，能够模拟各种复杂的物理现象。它具有灵活的建模能力，可以进行静力学、热分析、模态分析、优化等多种分析，并且易于与其他软件集成。ANSYS在航空航天、能源、汽车、电子等众多领域具有广泛的应用。

ABAQUS是由达索系统公司开发的有限元分析软件，主要用于结构和材料领域的分析。它提供了丰富的分析类型，包括静力学、动力学、热分析、流体-结构耦合等。ABAQUS具有强大的非线性分析能力，适用于复杂的材料行为和结构变形的仿真。它在航空航天、汽车、能源等领域得到了广泛应用。

2.用户界面和建模：

ANSYS提供了直观友好的用户界面，可以通过命令行或图形界面进行交互。它具有丰富的建模和网格划分工具，能够快速创建几何模型并生成高质量的网格。ANSYS还提供了强大的后处理工具，可以对计算结果进行可视化和分析。

ABAQUS的用户界面相对较为复杂，需要通过命令行或者Python脚本进行操作。它的建模功能相对较少，对于复杂的几何模型需要使用其他软件进行前处理。ABAQUS的后处理能力强大，可以进行详细的结果分析和可视化。

3.材料模型和求解算法： ANSYS提供了丰富的材料模型，包括线性弹性、非线性弹性、塑性、损伤等多种模型。它使用有限元方法进行求解，可以选择不同的求解算法和求解器，如直接法、迭代法等。ANSYS的求解速度较快，特别适用于大规模模型和复杂加载条件。

ABAQUS同样提供了多种材料模型，包括线性和非线性模型。它使用显式和隐式求解算法，具有较好的稳定性和精度。ABAQUS在非线性分析和大变形问题上有较好的表现，但对于大规模模型的求解速度相对较慢。

4.支持和学习资源：

ANSYS和ABAQUS都拥有庞大的用户群体和丰富的学习资源。两者均提供了官方文档、教程、培训等支持服务，用户可以从官方网站获取相关资料。此外，各大学和研究机构也开设了相关课程，并提供了学习资料和案例。