Abaqus課程設(shè)計(jì)論文

1、學(xué)校代碼：10128學(xué) 號：201220907039 課程論文題 目：球體接觸問題的有限元分析學(xué)生姓名：李勁波 學(xué) 院：理學(xué)院班 級：工程力學(xué)12-1班 指導(dǎo)教師：韋廣梅、周承恩 2015年9月26日內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書課程名稱： 有限單元法課程設(shè)計(jì) 學(xué)院：理學(xué)院 班級： 力學(xué)12-1班 _ 學(xué)生姓名： 李勁波 學(xué)號：201220907039 指導(dǎo)教師： 韋廣梅、周承恩 一、題目球體接觸問題的有限元分析二、目的與意義有限單元法課程設(shè)計(jì)是“有限單元法”課程的課程設(shè)計(jì)，本課程設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生應(yīng)用和拓展所學(xué)“有限單元法”課程的理論，使學(xué)生學(xué)會用大型商用有限元軟件進(jìn)行有限元分析，為畢

2、業(yè)論文的完成和畢業(yè)后從事專業(yè)工作做好計(jì)算分析的準(zhǔn)備。 三、要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求、圖紙量、工作量要求等） 1、內(nèi)容：橢球與平面接觸2、原始數(shù)據(jù)：1.半無限大體，橢球三半軸為50，50，70mm。50mm半軸與半無限大體表面垂直。接觸壓力為30kN。 材料參數(shù)：E=210 Gpa，=0.33、要求： 1.建立有限元模型，研究接觸區(qū)域形狀，應(yīng)力分布。求二者內(nèi)部最大的應(yīng)力及位置。2.如果材料為理想彈塑性，屈服極限350MPa，分析接觸區(qū)域形狀及應(yīng)力應(yīng)變分布情況。四、工作內(nèi)容、進(jìn)度安排 1、熟悉有限元商用軟件（1周）。2、在有限元商用軟件平臺上對題目進(jìn)行設(shè)計(jì)（1周）。3、結(jié)果分析、報告

3、形成（1周）。五、主要參考文獻(xiàn)1、莊茁，基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，20092、王勖成。有限單元法（FINITE ELEMENT METHOD）北京：清華大學(xué)出版社，2005；3、梁力，宋瑞強(qiáng)等。新型掛梁結(jié)構(gòu)恒載力學(xué)特性的有限元數(shù)值分析，遼寧：自然科學(xué)出版社，2002第23卷。4、劉齊茂，李微?；谟邢迒卧ǖ匿?混凝土組合梁截面優(yōu)化設(shè)計(jì) 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2005年12月，37審核意見系（教研室）主任（簽字） 指導(dǎo)教師下達(dá)時間 年 月 日指導(dǎo)教師簽字：_摘 要許多工程問題都涉及兩個或多個部件之間的接觸，在這些問題中，當(dāng)兩個物體彼此接觸時，垂直于接觸面上的力作用在兩

4、個物體上。如果在接觸面之間存在摩擦，可能產(chǎn)生剪力以阻止物體的切向運(yùn)動。本文主要是運(yùn)用ABAQUS軟件對橢球體與剛性半無限大體接觸問題進(jìn)行探討，因?yàn)闄E球體是前后左右都對稱的三維實(shí)體，所以對它取四分之一分析，這樣不僅計(jì)算方便而且結(jié)果直觀。先將材料定義為彈性材料通過前處理建模、計(jì)算、后處理來分析橢球體與大體之間的接觸，運(yùn)用多種方法討論接觸問題。結(jié)果得到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超彈性屈服極限，后將材料重新賦值為彈塑性，仿照彈性的分析方法對彈塑性進(jìn)行分析，得到的結(jié)果完全正確。關(guān)鍵詞：接觸；ABAQUS；彈塑性；屈服極限AbstractMany engineering problems involve contact b

5、etween two or more components, in these problems, when two objects come into contact with each other, on the surface of the perpendicular to the contact force between two objects. If there is friction between contact surface, shear may be produced to prevent the tangential motion of the object. This

6、 article mainly using ABAQUS software to ellipsoid and rigid semi-infinite discusses the general contact problem, because the ellipsoid is before and after the left and right sides is symmetrical three-dimensional entity, so take a quarter analysis to it, that not only the calculation results of con

7、venient and intuitive. Before the adoption of the first material is defined as elastic material modeling, calculation, after processing to analyze between ellipsoid and general contact, using a variety of methods to discuss contact problem. Than elastic yield limit, the resulting data will reopen as

8、signment for elastic-plastic materials, imitates the elastic analysis method of elastic-plastic analysis, get the right result.Key words: Contact; ABAQUS; Elastic-plastic; Yield limit 目 錄第一章 緒論1.1 有限單元法課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)11.2 接觸問題概述11.3 有限元法概述1第二章 有限元工具ABAQUS介紹及應(yīng)用方法32.1 ABAQUS簡介32.2 ABAQUS功能簡介3第三章 橢球平面接觸問題有限元

9、分析7 3.1 平面球接觸問題描述7 3.2 用ABAQUS建立有限元模型7 3.2.1 建立實(shí)體7 3.2.2 賦值材料與裝配部件8 3.2.3 創(chuàng)建分析步8 3.2.4 定義接觸和邊界條件9 3.2.5 劃分網(wǎng)格93.2.6 計(jì)算及后處理103.2.7 理想彈塑性分析11第四章 結(jié)論與收獲14參考文獻(xiàn)15第1章 緒論1.1有限單元法課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)目的：有限單元法課程設(shè)計(jì)是“有限單元法”課程的拓展部分。本課程設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生結(jié)合所學(xué)的力學(xué)知識和基礎(chǔ)理論，應(yīng)用和拓展“有限單元法”課程，初步學(xué)會用大型商用有限元軟件進(jìn)行力學(xué)分析，為以后從事專業(yè)工作做好計(jì)算分析的準(zhǔn)備。任務(wù)：使用有限元商用軟件

10、進(jìn)行力學(xué)分析。1.2 接觸問題概述彈性力學(xué)中研究的兩接觸物體受壓力后產(chǎn)生局部應(yīng)力和變形的問題的統(tǒng)稱。軸承、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪、硬度計(jì)、軋鋼機(jī)的軋輥、橋梁支座和剛性壓頭等在使用中都有接觸問題。接觸問題曾是應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)家面臨的一大難題。在過去一百多年的研究中，產(chǎn)生了一系列有效的數(shù)學(xué)方法。 材料在接觸區(qū)的變形受到各個方面的限制，因而處于三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力具有明顯的局部性質(zhì)，而且總是隨著離開接觸區(qū)距離的增大而迅速衰減。一般在接觸表面中心的壓應(yīng)力最大。影響接觸應(yīng)力的因素很多，其中主要的有：殘余應(yīng)力（由于接觸點(diǎn)附近應(yīng)力很大，有時會進(jìn)入塑性狀態(tài)而引起殘余應(yīng)力）；熱應(yīng)力（兩接觸面相對滑動時摩擦?xí)馃釕?yīng)力）；

11、潤滑，它影響熱應(yīng)力及切向載荷，還可能產(chǎn)生動壓油膜而影響接觸應(yīng)力的大小及分布；接觸面的幾何形狀偏差等。目前，在解決彈性體接觸問題方面已采用有限元法，通過它可計(jì)算各種形狀、材料和載荷下的接觸問題，并且所得的結(jié)果精度較高。1.3 有限元法概述有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然

12、后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。14第二章 有限元工具ABAQUS介紹及應(yīng)用方法2.1 ABAQUS簡介ABAQUS是一種有限元素法軟件，用于機(jī)械、土木、電子等行業(yè)的結(jié)構(gòu)和場分析。ABAQUS早年屬于美國HKS公司的產(chǎn)品，于2000年代中期賣給了達(dá)索公司，該軟件又被稱為達(dá)索SIMULIA。ABAQUS非常適合用作科學(xué)研究。作為一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，ABAQUS在商業(yè)有限元軟件

13、中占有極其重要的位置。從簡單的線彈性問題到復(fù)雜的幾何非線性和材料非線性問題均獲得了廣泛應(yīng)用。其有效性不論在工程應(yīng)用還是在科學(xué)研究方面均得到了驗(yàn)證。ABAQUS包含了豐富的單元庫和材料庫，能夠模擬各種材料受力和變形行為，特別是其提供了UMAT和UEL，為研究者提供了開發(fā)平臺。2.2 ABAQUS功能簡介ABAQUS有兩個主求解器模塊 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS 還包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機(jī)交互前后處理模塊 ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決。ABAQUS 被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的

14、有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。 ABAQUS 不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。 ABAQUS 的系統(tǒng)級分析的特點(diǎn)相對于其他的分析軟件來說是獨(dú)一無二的。由于 ABAQUS 優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得 ABAQUS 被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。 ABAQUS 產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。1.Part模塊ABAQUS/CAE:PartmodulePartCreate，可以創(chuàng)建Planar和Axisym-metric類型幾何模型，幾何模型的類型可以是

15、變形體和剛體，幾何屬性可以為實(shí)體、殼、線和點(diǎn)。這里值得注意的是軸對稱問題被單獨(dú)提出來進(jìn)行分析，而平面應(yīng)力和平面應(yīng)變問題則被包含在2DPlanar中。生成Part后，為了對Part不同部分賦予不同材料參數(shù)、接觸的定義、規(guī)則網(wǎng)格劃分等原因，往往需要對Part進(jìn)行切割，切割一般需要進(jìn)行兩步操作才能完成，首先是定義切割平面，定義方式:PartmoduleToolsDatum進(jìn)行定義，對于切割平面很多時候是采用Offsetfrom principal plane(xy plane,xzplane和yzplane),Offsetfromplane和3 points。工作平面定義完成后就可以進(jìn)行切割了，切割

16、的操作方式為:PartmoduleToolsPartition.2.Property模塊該模塊主要用于定義材料的本構(gòu)模型，ABAQUS中封裝了大量可用于土木工程的本構(gòu)模型，通過PropertyMaterialCreateMechanical進(jìn)行定義。完成力學(xué)定義行為并給定材料名稱后，接著通過PropertySectionCreate定義斷面(section)，建立與材料屬性相關(guān)聯(lián)的斷面，然后通過PropertyAssignSection對不同Part或Part的不同部分(可定義為set)進(jìn)行材料賦值。這里需要強(qiáng)調(diào)的是對干梁單元需要通過PropertyProfileCreate建立梁的幾何斷面，

17、同時還要通過PropertyAssignBeamSectionOrientation對梁單元斷面方向進(jìn)行定義。3.Assembly模塊任何一個結(jié)構(gòu)都可以視為一個Instance，它由很多個Part構(gòu)成，Part間連續(xù)、接觸或通過螺栓等形式連接。通過AssemblyInstanceCreate建立由不同Part構(gòu)成的In-stance，可以對Instance中的Part進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)等操作，更主要的是可以對Instance中的Part進(jìn)行布爾運(yùn)算，如AssemblyInstanceMerge/Cut，在合并操作中對相交邊界有刪除(Remove)和保留(Retain)兩個選項(xiàng)，后一選項(xiàng)在很多時候用

18、得更多，因?yàn)檫M(jìn)行Merge/Cut操作后，先前的多個Part生成了一個新的Part，選擇“保留”選項(xiàng)后可以進(jìn)人到Property模塊對同一Part不同部分賦予不同材料參數(shù)。4.Step模塊進(jìn)人StepCreate，分析類型(Proceduretype)有兩類，其一為Linear perturbation,包括Buckle,Frequency,Static,Linear pertubation和Steadystatedynamics,Direct四部分，應(yīng)用更多的是頻率的計(jì)算和振型的提?。黄涠镚eneral，幾乎包含了所有的分析類型，具體包含Coupledtemp-displacement，用

19、干溫度位移場的禍合分析，如熱輻射使結(jié)構(gòu)溫度升高，因變溫而使受約束結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力；Coupledthermal-electric，主要用于壓電材料的分析;Dynamic,Implicit，隱式動力分析；Dynamic,Explicit，顯式動力分析；Dynamic,Temp-disp,Explicit，顯式溫度位移分析;Geostatic，地應(yīng)力場計(jì)算，在巖土工程中地應(yīng)力場的準(zhǔn)確確定決定了后繼計(jì)算結(jié)果的有效性；Heattransfer，熱傳導(dǎo)計(jì)算分析；Massdiffusion；Soils，土的固結(jié)分析；Static,General，一般的靜力分析；Static,Riks，弧長法靜力分析；Vi

20、sco，粘彈性及蠕變分析。荷載步中增量步分為兩種:自動增量法和固定時間增量法，同時在荷載步中要給出最大迭代次數(shù)等參量。5.Interaction模塊結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件間的連接形式千差萬別，連接形式對結(jié)構(gòu)在外荷載作用下響應(yīng)的影響至關(guān)重要。在該模塊中，主要包含四部分，具體為Interaction,Constraint,Connector,SpecialoInteractionInteractionProperty，定義接觸面間的接觸屬性，包括定義摩擦系數(shù)等參量;由InteractionInteractionCreate創(chuàng)建由接觸面和目標(biāo)面構(gòu)成的接觸對，應(yīng)用最多的是Surface-to-surfacec

21、ontact接觸問題，如結(jié)構(gòu)物與土之間的接觸問題。由InteractionConstraintCreate,Tie,Coupling,Shell-to-solidcoupling,Em-beddedregion,Equation等約束條件，其中Tie約束適用于約束面間網(wǎng)格劃分不一致但變形又連續(xù)的情況。而Embeddedregion功能可能模擬加筋對基體的增強(qiáng)功能，如鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)(不是采用殼或梁進(jìn)行模擬)，分別創(chuàng)建鋼筋和混凝土模型，然后將鋼筋埋置到混凝土結(jié)構(gòu)中去。InteractionConnectorCreate，主要用于構(gòu)件間的U型連接、焊接、鉸接等連接的模擬，這一點(diǎn)在機(jī)械工程中具有重

22、要的應(yīng)用價值。InteractionSpecialInertia，用于定義結(jié)構(gòu)中的集中質(zhì)量和慣性矩，這主要應(yīng)用在懸索橋梁及高層建筑的地震分析中。InteractionSpecialCrack，用于定義結(jié)構(gòu)中的裂紋及裂尖，為后繼網(wǎng)格劃分生成奇異單元奠定基礎(chǔ)。InteractionSpecialSpring/Dash-pot，定義彈簧和阻尼器。6.Mesh模塊網(wǎng)格劃分前需要對Part定義種子(Seeds)，通過MeshSeedEdgeByNumber(EdgeBySize,EdgeBiased)完成種子的定義，對幾何模型的邊可以均勻劃分，也可按等比數(shù)列進(jìn)行劃分。具體劃分的數(shù)目和方法要通過數(shù)值模擬試

23、驗(yàn)確定，最終與理論解或試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比以確定經(jīng)濟(jì)合理的網(wǎng)格劃分規(guī)模。7.Job模塊通過JobJobCreate創(chuàng)建Job的名字，分析完成后存儲的相關(guān)文件的主文件名均為該Job名字。在Submission中包含Jobtype,RunMode和SubmitTime；在General下主要是Usersubroutinefile的選擇;在Memory下主要是內(nèi)存的劃分;Parallelization設(shè)置并行計(jì)算的一些內(nèi)容；Precision定義問題分析的精度。8.Visualization模塊后處理部分主要包括變形圖顯示(VisualizationPlotDeformedshape)，輸出變量的云狀圖

24、(VisualizationPlotContours).輸出結(jié)果包括場變量輸出(Visualization-Result-Fieldoutput)和與時間有關(guān)的變量的輸出(VisualizationResultHistoryoutput).也可以將后處理結(jié)果導(dǎo)出到外部文件中去(VisualizationReportXY,Fieldoutput)，以便進(jìn)一步編輯和處理。9.Sketch模塊通過該模塊可以生成輪廓線或由外部文件導(dǎo)人生成輪廓線，對于土木工程來說，用得比較多的是Autocad繪圖軟件，在Autocad中生成的二維線轉(zhuǎn)存為擴(kuò)展名為DXF的文件，然后在ABAQUS/CAE下選擇FileIm

25、portSketch就可導(dǎo)人到Sketch模塊中。在創(chuàng)建Part時進(jìn)人到Sketch界面下，由SketchAddSketch就可以將先前由Autocad導(dǎo)人的Sketch顯示于當(dāng)前界面下，進(jìn)而創(chuàng)建所需要的Part。第三章 橢球平面接觸問題有限元分析3.1 橢球平面接觸問題描述橢球三半軸為50，50，70mm。50mm半軸與半無限大體表面垂直。接觸壓力為30kN。 材料參數(shù)：E=210 GPa，=0.3。用ABAQUS建一個橢球與相對較大的半無限解析剛體如圖3-1，因?yàn)闄E球是前后左右對稱的圖形，所以可以取四分之一進(jìn)行接觸分析。圖3-1 模型圖3.2 用ABAQUS建立有限元模型3.2.1 建立實(shí)

26、體在part模塊繪制四分之一橢球（圖3-2）和相對大的半無限大體（圖3-3） 圖3-2 橢球 圖3-3 大體3.2.2 賦值材料與裝配部件在Property模塊對橢球進(jìn)行材料賦值。先是創(chuàng)建一個材料命名為steel，材料參數(shù)：E=210 GPa，=0.3的彈性材料(圖3-4），然后賦值給橢球體。因?yàn)榇篌w為彈性剛體所以不能賦值材料默認(rèn)即可。進(jìn)入Assembly 模塊，創(chuàng)建實(shí)體橢球和大體，通過平移使橢球與大體接觸（圖3-5）3.2.3 創(chuàng)建分析步 圖3-4 創(chuàng)建材料 進(jìn)入step模塊，創(chuàng)建兩個分析步step-1、step-2。對step-1選擇默認(rèn)，在step-2增量步中選擇最小迭代為0.1(圖3-

27、6）。然后對Field output Requests Manager(場變量輸出管理器)和 History output Requests Manager(歷史變量輸出管理器)進(jìn)行設(shè)置輸出所需要的數(shù)據(jù)。 圖3-5 裝配實(shí)體 圖3-6 創(chuàng)建分析步3.2.4 定義接觸和邊界條件 在Interaction模塊中定義大體上表面和橢球曲面小滑移接觸，然后在load模塊中對配件進(jìn)行邊界定義，創(chuàng)建四個邊界條件如圖3-7所示，對橢球的兩個截面和大體的參考點(diǎn)進(jìn)行約束，然后在上頂點(diǎn)施加一個向下0.1的位移（BC-4），最后對橢球施加一個向下的集中力得到如圖3-8所示的圖形 圖3-7 定義邊界條件 圖3-8 邊界

28、條件圖3.2.5 劃分網(wǎng)格進(jìn)入Mesh模塊，對橢球體進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。本題主要是研究橢球與大體接觸部分的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，所以應(yīng)該對接觸部分進(jìn)行細(xì)分，而其他不重要的部分粗分，這樣可以使要研究對象能夠得到最大限度的精度，也節(jié)約了計(jì)算時間和降低了復(fù)雜度。首先用seed part 對橢球進(jìn)行粗糙劃分，然后再用seed Edges對其采用single的細(xì)劃分，最后通過Assign Mesh、Mesh part的處理得到劃分好的橢球體（圖3-9）。圖3-9 劃分網(wǎng)格3.2.6 計(jì)算及后處理上面的步驟完成之后進(jìn)入Job模塊，創(chuàng)建一個job然后對它進(jìn)行Submit及Monitor得到橢球與大體接觸的有限元計(jì)算結(jié)果如圖3-10，然后點(diǎn)擊Results進(jìn)入Visualization模塊，得到彈性材料Tresca云圖（圖3-11），通過放大下頂點(diǎn)得到接觸處的彈性Mises云圖（圖3-12）圖3-10 計(jì)算結(jié)果圖3-11 Tresca應(yīng)力云圖圖3-12 彈性Mises云圖然后通過Que