ABAQUS中的非线性模拟_王慎平

ABAQUS中的非线性模拟

王慎平,刘北英(北京科技大学机械工程学院,北京100083)

摘󰀁要:ABAQUS在处理非线性模拟方面功能强大,本文主要针对力学模拟中的几何、材料、边界三种非线性问题进行讨论,重点是如何在ABAQUS中定义这三种非线性问题,包括在

CAE模块中定义和在关键字中定义。

关键词:ABAQUS;几何非线性;材料非线性;边界非线性

中图分类号:TP391󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1671-5276(2006)02-0020-03

TheNonlinearAnalysisinABAQUS

WANGShen-ping,LIUBe-iying

(UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:ABAQUSispowerfulindealingwithnonlinearanalysis.Inthisparagraphthreetypesofnonlinear

problemarediscussedinmechanicssimulation.Theemphasisislaidonhowtodefinethesethreetypesofnon-

linearproblemsinCAEmoduleofABAQUSandintermsofkeywords.Keywords:ABAQUS;geometrynonlinear;materialnonlinear;boundarynonlinear

0󰀁前言

在结构力学模拟中有三种非线性来源:材料非

线性,边界非线性,几何非线性。同样ABAQUS分析中也包含这三种非线性,

在ABAQUS软件中,非线性模拟是最常见的,因为所有的物理结构均为非线性的,而线性分析只是

一种方便的近似,在一定的范围内,对设计来说一般可以达到所需精度,但对很多实际结构的模拟而

言却不能满足要求,例如,对锻造、冲压等加工过程

的模拟分析就是如此。本文介绍了对ABAQUS中包含的非线性问题以及如何定义进行分析探讨

的情况。

1几何非线性

几何非线性发生在位移的大小影响到结构响

应的情况。一般是由以下三种情况造成的:大挠度或大转动;突然翻转;初应力或载荷刚性化。

在ABAQUS分析中,定义几何非线性问题比较简单,只需要在*STEP选项中加入NLGEOM

参数即可,并去掉PERTURBATION参数。还可

以加入INC参数来指定分析中允许的最大增量步的数目。INC参数指定了ABAQUS可以采用的

增量步的上限,而不是它所必须使用的增量步数。例如:一包含几何非线性的分析步,最多允许25个增量步,应按如下方式指定:

*STEP,NLGEOM,INC=25而在CAE中的定义方式也很简单,只需要在

定义STEP时,把NLGEOM参数设为ON即可,

如图1所示。

图1󰀁在ABAQUS中定义几何非线性

2󰀁材料非线性

2󰀁1󰀁概述

许多金属在小应变时表现出近似线弹性的特

性。此时材料的弹性模量为常数,而在高应力或应

变情况下,金属开始表现出非线性特性,我们通常󰀁机械制造与研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王慎平,等󰀁ABAQUS中的非线性模拟

󰀁20󰀁󰀁http://ZZHD.chinajournal.net.cn󰀁E-mail:ZZHD@chinajournal.net.cn󰀁󰀁机械制造与自动化󰀁称之为塑性。

在ABAQUS中必须用真实应力和真实应变

定义塑性。ABAQUS在需要输入文件中输入这些

值。然而大多数实验数据常常是用名义应力和名

义应变给出的。这时应该利用公式把塑性材料的数据从名义应力/应变转换为真实应力/应变。转

换公式如下:

󰀁=󰀁nom(1+󰀁nom)(1)

󰀁=ln(1+󰀁nom)(2)

式中:󰀁󰀁󰀁󰀁真实应力;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁真实应变;

󰀁󰀁󰀁nom󰀁󰀁󰀁名义应力;󰀁󰀁󰀁nom󰀁󰀁󰀁名义应变。

2󰀁2󰀁在ABAQUS中定义材料非线性

ABAQUS中用*PLASTIC选项来定义了金

属材料的塑性,用连接给定数据点的一系列直线来

逼近材料光滑的应力-应变曲线。因此选择的数据

点越多,模拟材料的性质就越真实。在*PLAS-

TIC选项中的数据将材料的真实屈服应力定义为

真实塑性应变的函数。选项的第一个数据定义材料的初始屈服应力,因此塑性应变值应该为零。

在用来定义塑性性能的材料实验数据中,提供

的应变不仅包含材料的塑性应变,而是包括材料的

总体应变,所以必须将总体应变分解为弹性和塑性

应变分量。弹性应变等于真实应力与杨氏模量的

比值,从总体应变中减去弹性应变,就得到了塑性应变,其关系式为:

󰀁pl=󰀁l-󰀁el=󰀁l-󰀁/E(3)

式中:󰀁pl󰀁󰀁󰀁真实塑性应变;󰀁󰀁󰀁l󰀁󰀁󰀁总体真实应变;

󰀁󰀁󰀁el󰀁󰀁󰀁真实弹性应变;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁真实应力;

󰀁󰀁E󰀁󰀁󰀁杨氏模量。

下面举例说明如何将反映材料塑性的实验数

据转换为ABAQUS适用的输入格式,数据的转换

示例如表1所示,其前两列分别是实验数据中的名

义应力和名义应变。第一步是用式(1)和式(2)将名义应力和名义

应变转化为真实应力和应变。一旦得到这些值,就

可以用式(3)来确定塑性应变。表1的后三列分别表1󰀁实验数据转化为ABAQUS输入数据示例

实验数据转换后数据

名义应力名义应变真实应力真实应变塑性应变

200E60.00095200.2E60.000950.0

240E60.025246E60.02470.0235

280E60.05294E60.04880.0474

340E60.1374E60.09530.0935

380E60.15437E60.13980.1377

400E60.2480E60.18230.18

给出了转换后的数据。其中第三列中的真实应力

和第五列的塑性应变是ABAQUS中*PLASTIC

所需要输入的数据。在ABAQUS/CAE中输入这些数据描述材料

非线性的方法如图2所示。在定义材料属性时,需

要在PLASTIC选项中输入表1中的真实应力和塑性应变数据。

图2󰀁在ABAQUS中定义材料

而在INP文件中的表述如下:*Material,name=steel󰀁󰀁*Plastic2.002e+08,0.2.46e+08,0.02352.94e+08,0.0474󰀁机械制造与研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王慎平,等󰀁ABAQUS中的非线性模拟

MachineBuilding&Automation,Apr2006,35(2):20~22󰀁21󰀁󰀁3.74e+08,0.09354.37e+08,0.13774.8e+08,0.18

3󰀁边界非线性

3󰀁1󰀁概述

若边界条件随分析过程发生变化,就产生了边界非线性的问题。如图3所示的螺栓连接的两个

零件会随施加的螺栓预紧力发生接触,也就是边界

图3󰀁螺栓连接的接触

非线性问题。接触实际上是一系列特殊的不连续的

约束,拧紧螺栓时,两零件的表面由分离到间隙为

零,开始应用接触约束,当接触条件从󰀁开󰀁到󰀁闭󰀁

时,接触压力发生剧烈变化,使接触模拟非常困难。

3󰀁2󰀁在ABAQUS中定义接触

接触表面的相互作用包括两部分:垂直于接触

面和沿接触面切向,接触模拟的目的是为了确定接

触面积和接触压力。两个表面之间分开的距离称为󰀁间隙󰀁,当两个

表面之间的间隙变为零时开始应用接触约束,而当

接触压力变为零或负值时,两表面分开,约束移去,

这种表面间的相互作用称为󰀁硬󰀁接触;此外,在

ABAQUS分析中还要计算两个表面间的相互滑动,这是一个非常复杂的计算,ABAQUS需要区分哪个

部分滑动量小,哪个部位滑动量是有限的,对于滑动

量小的模型计算量也小,但󰀁小滑移󰀁很难定义,一般

认为滑动量不超过一个典型单元尺寸,就可以近似

应用󰀁小滑移󰀁;如果两个表面之间是粗糙的,还要考虑摩擦力,而摩擦正是限制相互滑动的,在模型中包

括了摩擦,也就是在待求解的系统方程中增加了不

对称项,使得求解费用大大增加,因此,在ABAQUS

中定义接触是非常复杂的,定义参数的正确性将直接影响计算结果的准确性和计算速度。

在ABAQUS中定义两个结构间的接触问题,

第一步是用*SURFACEDEFINITION选项定义

表面,接着用*SURFACEINTERACTION选项

来定义表面间的相互作用,然后用*CONTACTPAIR选项定义可能接触的表面对。

下面举例说明如何在ABAQUS中定义接触,现以图3中的螺栓连接为例:

a)首先在ABAQUS/CAE的Interaction模块

下,在Interaction菜单下创建一个新的接触属性(property),选择接触类型:CONTACT,在弹出的

对话框中定义接触的机械参数和热参数;

b)在TOOL菜单下,定义SURFACE,分别定

义名为surfofpart1和surfofpart2两个面,分别代表两个零件的接触面;

c)最后在Interaction菜单下定义接触对(con-

tactofbolt),主面和从面分别选择步骤b)中定义的两个表面,而接触属性选择步骤a)中定义的属

性。

定义完成后,在INP文件中表述如下:*Surface,type=ELEMENT,name=󰀁Surfofpart2󰀁󰀁Surfofpart2S2󰀁,S2*Surface,type=ELEMENT,name=󰀁Surfofpart1󰀁󰀁Surfofpart1S2󰀁,S2接触面的定义

**INTERACTIONPROPERTIES󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁*SurfaceInteraction,name=IntProp,*Friction,sliptolerance=0.0050.2,*SurfaceBehavior,noseparation,pressure-overclosure=HARD接触属性定义

**INTERACTIONS󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁**Interaction:contactofbolt*ContactPair,interaction=IntProp󰀁Surfofpart2󰀁,󰀁Surfofpart1󰀁接触对的定义

4󰀁小󰀁结

上述内容主要介绍了在ABAQUS中定义非

线性模拟的方法,非线性的定义本身并不复杂,但

实际应用时非线性的类型很多,需要针对不同的非线性问题进行定义,尤其是选择参数时,要保证选

择的参数和数值合适,这样才能保证计算结果的准

确性。另外非线性问题在一般情况下并不是单独出现的,而是与其它类型的问题(如热传导、质量扩

散等)交叉出现,这就要求我们对实际问题进行认

真分析,选择合适的方法进行处理。

参考文献

[1]ABAQUSDocumentation[Z].[2]庄󰀁茁译󰀁ABAQUS/Standard有限元入门指南[M]󰀁北京:清华大学出版社,1998󰀁

收稿日期:2005-11-08󰀁机械制造与研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王慎平,等󰀁ABAQUS中的非线性模拟

󰀁22󰀁󰀁http://ZZHD.chinajournal.net.cn󰀁E-mail:ZZHD@chinajournal.net.cn󰀁󰀁机械制造与自动化󰀁