abaqus建模流程-學(xué)習(xí)筆記

abaqus建模流程一一學(xué)習(xí)筆記Abaqus建模流程

Abaqus標(biāo)準(zhǔn)版共有“部件(part)”、“材料特性

(propoterty)"、"裝配(assembl.e)"、“計算步驟

(step)”、“交互(interaction)"、"加載(l.oad)“單元劃

分(mesh)"、"計算(job)"后處理(visual.ization)9\

“草圖(sketch)”十大模塊組成。建模方法：

1首先建立“部件”

(1)根據(jù)實際模型的尺寸決定繪圖區(qū)的大小，一般為模型的

1.5倍，間距大小可以在edit菜單sketcheroptions選項里調(diào)

整。

QuantitySISI(mm)USUnit(ft)USUnit(inch)

l.engthmmmttin

ForceNNIbfIbf

Masskgtonne(105kg)sl.uglbfs2/in

Time$sss

StressPa(N/m2)MPa(N/mm2)IbfZtt2psi(lbfZin2)

EnergyJmJCIO-sJ)nibfinlbf

Densitykg/m3tonne/mm3lbfs2/in4

(2)在繪圖區(qū)分別建立部件中的各個特征體，建立特征體的

方法主要有擠壓、旋轉(zhuǎn)、平掃三種。同一個模型中兩個不同的部

件可以有同名的特征體組成，也就是說不同部件中可以有同名的

特征體，同名特征體可以相同也可以不同。部件的特征體包括用

各種方法建立的基本特征體、數(shù)據(jù)點(datumpoint)、數(shù)據(jù)軸

(datuma*is)＞數(shù)據(jù)平面(datumpl.ane)等等。選擇多個元

素時，可以同時按住shift鍵，或者按住鼠標(biāo)左鍵進行窗選；如

果取消對某個元素的選擇可以同時按住Ctrl.鍵。同時按住

Ctrl.、shift和鼠標(biāo)左鍵(中鍵、右鍵)然后平移鼠標(biāo)可以進行

旋轉(zhuǎn)(平移、縮放)。如果想修改或撤銷已經(jīng)完成的操作，可以在

窗口左側(cè)的模型樹中找到此項操作，在上面點擊右鍵，選擇

Edit或del.eteo

(3)編輯部件可以用部件管理器進行部件復(fù)制，重命名，刪

除等，部件中的特征體可以是直接建立的特征體，還可以間接手

段建立，如首先建立一個數(shù)據(jù)點特征體，通過數(shù)據(jù)點建立數(shù)據(jù)軸

特征體，然后建立數(shù)據(jù)平面特征體，再由此基礎(chǔ)上建立某一特征

體，最先建立的數(shù)據(jù)點特征體就是父特征體，依次往下分別為子

特征體，刪除或隱藏父特征體其下級所有子特征體都將被刪除或

隱藏。

(4)部件類型：

?可變形體：任意形狀的，可以包含不同維數(shù)的特征(實

體、表面、線)；在荷載作用下可以變形。

?不連續(xù)介質(zhì)剛體：任意形狀的；在荷載作用下不可變

形。

?解析剛體：只可以用直線、圓弧和拋物線創(chuàng)建的形狀；

在荷載作用下不可變形

?歐拉部件：實體區(qū)域；定義在歐拉分析中材料可以流動

的區(qū)域

剛體是不能夠施加質(zhì)量、慣性軸等特性的，建立剛體后必

須給剛體指定一個參考點(referencepoint),在加載模塊里對參

考點施加約束和定義其運動，對參考點施加的荷載或運動就相當(dāng)

于施加給了整個剛體。除了剛形體有旋轉(zhuǎn)的情況或者要求繞剛體

中的某一軸的反力矩情況外，參考點的位置并不重要，上述兩種

情況，參考點應(yīng)該位于繞其轉(zhuǎn)動的軸上。在創(chuàng)建部件時需要指定

部件的類型，一旦建立后就不能更改其類型。對于形狀簡單的剛

性部件，使用解析剛體可以精確模擬部件的幾何形狀，而且可以

減小計算代價，但如果剛性部件的幾何形狀較復(fù)雜，無法用解析

剛體來建模，就需要使用離散剛體。

解析剛體不需要畫網(wǎng)格，離散剛體需要畫網(wǎng)格(邊界由網(wǎng)格

節(jié)點控制)，且要在發(fā)生接觸的部位劃分足夠細的網(wǎng)格，以保證

不出現(xiàn)大的尖角。

創(chuàng)建剛體的三種方法：1.離散剛體和解析剛體；

"Interaction模塊中的剛體約束和顯示體約束，可以

將變形體變?yōu)閯傮w；3.定義一塊鋼板，其屬性定義彈模無

限大、泊松比無限小，可以模擬剛體。

(5)分區(qū)將部件再細分為不同的區(qū)域，區(qū)域可以用于創(chuàng)建幾

何集，還可以用于劃分網(wǎng)格，一般在Assembl.y和Mesh模塊創(chuàng)

建可劃分網(wǎng)格的分區(qū)效果更好。

(6)在修改部件幾何形狀時，盡量修改頂點位置或編輯尺

寸，而不要創(chuàng)建或刪除線段，這樣可以減少對已定義的部件特

征、集合和面的影響。在修改幾何模型后，必須對原模型的截面

屬性、面、集合、載荷、邊界條件和約束進行全面檢查，以便確

定原模型是否受到影響。

(7)在創(chuàng)建軸對稱部件時，ABAQUS/CAE要求旋轉(zhuǎn)軸必須是豎

直方向的輔助線，而且軸對稱部件的整個平面圖都要位于旋轉(zhuǎn)軸

的右側(cè)。

(8)ABAQUS/CAE推薦的建模方法是把整個數(shù)值模型(如材

料、邊界條件、荷載等)都直接定義在幾何模型上，而不是像其

他前處理器那樣定義在單元和節(jié)點上，這樣在修改網(wǎng)格時不必重

新定義材料和邊界條件等模型參數(shù)。在處理復(fù)雜問題時，可以先

簡單地劃分粗網(wǎng)格，得到初步的模擬結(jié)果，然后再在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域

細化網(wǎng)格。

一般先劃分網(wǎng)格，這樣做的好處是，往往在劃分網(wǎng)格的過

程中，會發(fā)現(xiàn)部件的幾何模型需要進一步修改，例如存在過小的

圓角或線段，導(dǎo)致不必要的細化網(wǎng)格；而經(jīng)過這些修改后，已經(jīng)

定義好的邊界條件、載荷和接觸等可能變?yōu)闊o效的，需要再重新

定義。

(9)利用Sketch模塊創(chuàng)建獨立的草圖。該種方法創(chuàng)建的草

圖不與任何的部件相關(guān)聯(lián)，可以保留，作后繼使用。Sketch約

束定義了幾何實體之間的邏輯關(guān)系，如平行、垂直、切線、一

致、同心等等。

2建立材料特性

(1)輸入材料特性參數(shù)如彈性模量、泊松比等

大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)常常是用名義應(yīng)力和名義應(yīng)變的值給出

的。這時，必須把塑性材料的數(shù)據(jù)從名義應(yīng)力/應(yīng)變的值轉(zhuǎn)換為

真實應(yīng)力/應(yīng)變的值。當(dāng)應(yīng)變很小時，真實值和名義值之間差別

很小，而當(dāng)應(yīng)變很大時，二者之間就會有明顯的差別；因此，如

果模擬的應(yīng)變比較大，就一定要向ABAQUS提供合適的應(yīng)力一應(yīng)

變數(shù)據(jù)，這是極為重要的。對一般多維應(yīng)力狀態(tài)，用屈服準(zhǔn)則確

定應(yīng)力屬于彈性還是彈塑性范圍。

定義截面屬性時，平面應(yīng)力單元、平面應(yīng)變單元和軸對稱

單元都應(yīng)該定義為實體截面屬性(*SOLI黨史ECTION),而不是殼

截面屬性(*SHE1.1.SECTION)o

在進行彈塑性分析時，同樣可以使用分區(qū)的方法，將部件

中重要的、塑性變形較大的區(qū)域定義為彈塑性材料，將不重要

的、幾乎不發(fā)生塑性變形的區(qū)域定義為彈性材料，以便使分析更

容易收斂，縮短計算時間。

盡量不要對塑性材料施加點載荷，而是根據(jù)實際情況來使

用面載荷或線載荷。如果必須在某個節(jié)點上施加點載荷，可以使

用耦合約束來為載荷作用點附近的幾個節(jié)點建立剛性連接，這樣

這些節(jié)點就會共同承擔(dān)點載荷。

材料方向：對于殼、梁和桁架單元，局部的材料方向總是

隨著變形而轉(zhuǎn)動。對于實體單元，僅當(dāng)單元中提供了非默認(rèn)的局

部材料方向時，它的局部材料方向才隨著變形而轉(zhuǎn)動，否則，默

認(rèn)的局部材料方向在整個分析中將始終保持不變。

(2)建立截面(section)特性,如均質(zhì)的、各項同性、平面

應(yīng)力平面應(yīng)變等等，截面特性管理器依賴于材料參數(shù)管理器

(3)分配截面特性給特征體，把截面特性分配給部件的某一

區(qū)域就表示該區(qū)域已經(jīng)和該截面特性相關(guān)聯(lián)

3模型裝配

在裝配(assembl.e)模塊里首先建立部件實例

(partinstance),一個部件實例可以看作部件的代表，但并不是

原部件的拷貝。實例一直和原部件保持關(guān)聯(lián)，當(dāng)原部件幾何形狀

發(fā)生變化時，實例也發(fā)生相應(yīng)變化。一個裝配模型可以包含一個

部件的多個實例，在創(chuàng)建第一個實例時所生成的裝配模型總體坐

標(biāo)系是該裝配模型的一個實例。

同一個部件中所有特征體在裝配模塊中對該部件建立實例

時會形成一個整體，選擇該實例時，該實例在裝配之前原部件中

所有特征體都被選擇了。后續(xù)所有模塊的操作對象就是所生成的

部件實例，也即裝配模型中的特征體，而不是原來的部件。

對于各部件的實例，可以在view菜單

assembl.ydispl.ayoptions選項里選擇instance標(biāo)簽對現(xiàn)有的

各實例決定其是否顯示在當(dāng)前視窗中，這一功能對選擇視窗中的

對象很有幫助。

(1)部件實例有獨立的和非獨立的兩種，缺省狀態(tài)是非獨

立實例。

(2)在交互模塊、加載模塊和單元劃分模塊里操作的對象

都是裝配模型中各個部件實例。

(3)創(chuàng)建了一個部件實例后，ABAQUS需要生成一個裝配體

的總體坐標(biāo)系定位該實例，該裝配體的總體坐標(biāo)系與部件的總體

坐標(biāo)系是兩個不同的坐標(biāo)系。創(chuàng)建部件基特征體時的繪圖

(sketch)坐標(biāo)原點與裝配體的總體坐標(biāo)系原點重合，并且*y

坐標(biāo)平面和裝配體總體坐標(biāo)系*丫平面平行。創(chuàng)建了第一個實例

后，ABAQUS定位該實例的方法就是將該實例基特征體的坐標(biāo)原

點(繪制平面草圖的坐標(biāo)原點)與裝配體總體坐標(biāo)系原點重合。

(4)定位各個部件實例

常見的定位標(biāo)準(zhǔn)包括：平行面、面對面、平行邊、邊對

邊、共軸、點重合、坐標(biāo)系平行、接觸。各定位標(biāo)準(zhǔn)之間互不影

響，可以用新的定位標(biāo)準(zhǔn)替換原定位標(biāo)準(zhǔn)。箭頭指向相同的方

向。

每一個定位標(biāo)準(zhǔn)都作為裝配模型的特征體而保存，可以在

特征體管理器里進行編輯。

(5)集和面

如果當(dāng)前的功能模塊是Assembl.y、Interaction>1.oad

或Mesh(處在為裝配件劃分網(wǎng)格的狀態(tài)下)，則使用主菜單

Tool,s定義的面或集合是屬于整個裝配間的；而如果當(dāng)前的功

能模塊式Part或Mesh(處在為部件劃分網(wǎng)格的狀態(tài)下)，則使

用主菜單Tool.s定義的面或集合只是屬于此部件，不能在

Assembl.y>Interaction或1.oad功能模塊中使用。因此，創(chuàng)

建集合或面時，要注意首先選擇正確的功能模塊(恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ?/p>

在需要的模塊中建立集和面)。

在定義約束、邊界條件、載荷、接觸或場變量等模型參數(shù)

時，都應(yīng)事先定義相應(yīng)的集合和面，并給出容易識別的名稱，這

樣在建立復(fù)雜模型時，會大大降低出錯的可能性

1設(shè)置分析步(step)

(1)對模型施加荷載和邊界條件之前或者定義模型的接觸

問題之前，必須定義不同的分析步驟。然后可以指定在哪一步施

加荷載，在哪一步施加邊界條件，哪一步確定相互關(guān)聯(lián)。

⑵CAE缺省地創(chuàng)建初始步(initial.)

分析步創(chuàng)建完成后會自動生成輸出結(jié)果管理器

(3)輸出結(jié)果要求

ABAQUS求解器通常計算每一個增量步的許多變量值，而往

往我們只對其中某一小部分計算數(shù)據(jù)

感興趣，軟件提供了指定要輸出到計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫中的某

些變量結(jié)果的功能。輸出要求包括以下一些

信息：

(a)所需要的變量或者變量分量；

(b)模型中某一特定區(qū)域和積分點的計算結(jié)果；

(c)寫到計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫中各變量值的寫入頻率；

建立了第一分析步后，CAE缺省地選擇和相應(yīng)的分析過程中

輸出變量集。缺省的情況下，CAE輸出模型中每個節(jié)點或積分點

的計算值。

在一般分析步中，載荷必須以總量而不是以增量的形式給

定。例如，如果在分析步1中有一個10kN的集中載荷，而在分

析步2中此載荷變?yōu)?0kN,那么在這兩個分析步中，對載荷的

定義應(yīng)該分別是10kN和40kN,而不是10kN和30kNo

?場變量輸出(邑64)和歷程輸出(history)

3)場變量輸出：

在通常情況下，用于繪制模型的變形、云圖和*-丫圖，由于

ABAQUS生成的實時輸出結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件都很大，因此可以通過

修改輸出要求來限制結(jié)果數(shù)據(jù)庫的大小。

(b)歷程輸出：

ABAQYUS對模型中指定點產(chǎn)生歷程輸出數(shù)據(jù)。使用后處理模

塊在*丫坐標(biāo)系中查看歷史輸出結(jié)果。結(jié)果的輸出頻率依賴于如

何使用計算生成的各種數(shù)據(jù)，輸出頻率可以很高?？梢越v史

輸出要求，通過該要求限制歷史輸出頻率。在建立歷史輸出要求

時可以指定某一個獨立的變量寫入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

?通用分析步(general,step)和線性攝動分析步

(1.inearperturbationstep)

分析步包括通用步和線性攝動步兩大類，當(dāng)在已有的分析

步中插入新的通用分析步或者線性攝動分析步時，其上一個分析

步相應(yīng)的輸出結(jié)果要求會自動傳遞給該分析步。如果刪除一個分

析步，相應(yīng)的結(jié)果輸出要求以及其后由該步傳遞的各分析步的輸

出結(jié)果要求都將被刪除。如果某一個分析步?jīng)]有相應(yīng)的結(jié)果輸出

要求，在計算模塊(job)里生成輸入文件時將會給出警告。

(1)通用分析步

定義的是一個接一個順序的分析流程，可以用于線性和非

線性分析，主要有以下類型:

-static,general.使用ABAQUS/standard進行靜力分析

-dynamics,impl.icit使用ABAQUS/standard進行隱式動力

分析

-dynamics,e*pl.icit使用ABAQUS/e*pl.icit進行顯式動

態(tài)分析

（2）線性攝動分析

分析“基礎(chǔ)狀態(tài)”基礎(chǔ)上的線性響應(yīng)，而基礎(chǔ)狀態(tài)是前溯

最近的general,step（通用分析步），下一個分析步和

1.inearperturbationsteps是沒有關(guān)系的。只能用于分析線性

問題，在ABAQUS/e*pl.icit不能用線性攝動分析，以下類型總

是采用線性攝動分析步：

-responsespectrum反應(yīng)譜分析

-steady-statedynamic諧波激勵穩(wěn)態(tài)動力分析

線性分析是基狀態(tài)（初始構(gòu)型或當(dāng)前構(gòu)型）的線性攝動，

基狀態(tài)之前的響應(yīng)可以是非線性的。但是，模型必須是靜態(tài)平衡

的（在進行線性攝動分析之前，只有先利用*STATIC分析步達到

靜力平衡，才可以應(yīng)用DYNAMIC選項）。在攝動分析步之后，可

以繼續(xù)進行非線性分析步。在Abaqus/E*pl.icit中，只有通用

分析步。

?時間增量步的設(shè)置

(1)增量步的類型：

ABAQUS/Standard使用Newton-Raphson算法來求解非線性

問題，把所有載荷按一定的要求分成若干載荷步step,每一步

step根據(jù)ABAQUS自動載荷增量，分成若干增量increments,每

一增量施加一定的載荷，然后每一增量通過若干迭代步

iteration進行迭代，當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時，迭代結(jié)束，完成一個

增量。當(dāng)所有的增量都完成后，計算結(jié)束，所有增量響應(yīng)的總和

就是非線性分析的近似解；反之，計算可能出現(xiàn)發(fā)散。這時，可

以通過采用多鐘方法(如調(diào)整放大質(zhì)量系數(shù)，單元網(wǎng)格優(yōu)化等)

調(diào)整增量大小，使計算繼續(xù)進行。

ABAQUS/E*pl.icit在求解非線性問題時不需要進行迭代，

而是顯示地從上一個增量步的靜力學(xué)狀態(tài)來推出動力學(xué)平衡方程

的解。ABAQUS/E*pl.icit的求解過程需要大量的增量步，但由

于不進行迭代，也不需要求解全體方程組，其每個增量步的計算

成本很小，可以很高效地求解復(fù)雜的非線性問題。

Automatic即增量步的大小由ABAQUS自動控制，根據(jù)分析

結(jié)果的收斂情況自動增大或減小增量步。在默認(rèn)情況下，如果經(jīng)

過16次迭代的解仍不能收斂或者結(jié)果顯示出發(fā)散，

ABAQUS/Standard就放棄當(dāng)前增量步，并將增量步的值設(shè)置為原

來值的25%,重新開始計算。利用比較小的載荷增量來嘗試找到

收斂的解答。若此增量仍不能使其收斂，ABAQUS/Standard將再

次減小增量步的值。在中止分析之前，

ABAQUS/Standard默認(rèn)地允許至多5次減小增量步的值。如

果連續(xù)兩個增量步都只需少于5次的迭代就可以得到收斂解，

ABAQUS/Standard會自動地將增量步的值提高50%o

(2)允許的增量步最大數(shù)目：100,即如果經(jīng)過100個增量

步后結(jié)果還不收斂，則分析中止。

(3)初始增量步大?。?.1。用戶只需在每個分析步模擬中

給出第1個增量步的值，然后,ABAQUS/Standard自動地調(diào)整后續(xù)

增量步的值。對于簡單的問題，可以直接令初始增量步等于分析

步時間(例如令初始增量步等1)。對于復(fù)雜的非線性問題(例

如模型中有復(fù)雜的接觸或大的塑性變形)，ABAQUS/Standard不

得不反復(fù)減小增量步，從而導(dǎo)致占用了CPU時間以及甚至不能收

斂，可以嘗試減小初始增量步。

(4)允許的最小增量步：10-5允許的最大增量步：1

(5)在靜態(tài)分析中，如果模型中不包含阻尼或與速率相關(guān)

的材料性，“時間”就沒有實際的物理意義。方便起見，一般都

把分析步時間設(shè)為默認(rèn)的1。

(6)對于復(fù)雜的三維問題，如果出現(xiàn)收斂困難，可以使用

額外的分析步和邊界條件，將荷載逐步施加到模型上。即在接觸

分析中，如果在第一個分析步中就把全部載荷施加到模型上，有

可能分析無法收斂，建議先定義一個只有很小載荷（或位移）的

分析步，讓接觸關(guān)系平穩(wěn)地建立起來，然后在下一個分析步中再

施加真實的載荷。這樣雖然分析步的數(shù)目增多了，但減小了收斂

的困難，計算時間可能反而會縮短。

?設(shè)定自適應(yīng)網(wǎng)格

分析鍛壓、拉拔和軋制等大變形問題時，模型的幾何形狀

發(fā)生顯著變化，網(wǎng)格會產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形，

導(dǎo)致分析精度下降，穩(wěn)定步長縮短，甚至無法達到收斂。

ABAQUS的自適應(yīng)網(wǎng)格功能允許單元網(wǎng)格獨立于材料移動，從而

在大變形分析過程中也能始終保證高質(zhì)置的網(wǎng)格。

自適應(yīng)網(wǎng)格主要用于ABAQUS/E*pl.icit,以及

ABAQUS/Standard中的表面磨損過程模擬。在一般的

ABAQUS/Standard分析中盡管也可以設(shè)定自適應(yīng)網(wǎng)格，但不會起

到明顯的作用。

點擊Step功能模塊的主菜單Othei---

AdaptiveMeshDomain可以設(shè)定自適應(yīng)網(wǎng)格的有效區(qū)域，點擊主

菜單Other---AdaptiveMeshContro1.s可以設(shè)置自適應(yīng)網(wǎng)格的

參數(shù)。ABAQUS的自適應(yīng)網(wǎng)格不改變網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（單元和連

接關(guān)系），它結(jié)合了純拉格朗日分析（網(wǎng)格跟隨材料終動）和歐

拉分析（網(wǎng)格位置固定，材料在網(wǎng)格中流動），被稱為“任意拉

格朗日-歐拉(A1.E)分析“。它通常比純拉格朗日分析更有

效、更精確和更穩(wěn)定。

對于ABAQUS/Standard的通用分析步，可以點擊Step功能

模塊的主菜單Other―General.Sol.utionControl.s來控制收斂

算法和時間積分精度。對于靜力問題的通用分析步和線性攝動分

析步，以及穩(wěn)態(tài)傳熱問題，可以點擊主菜單

Other->Sol.verControl.s來控制迭代線性方程求解器的參數(shù)。

?設(shè)定幾何非線性(Nl.geom)

進行彈塑性分析時，如果模型的位移較大，則設(shè)定幾何非

線性為on。當(dāng)然彈塑性分析中并不一定要考慮幾何非線性，幾

何非線性的含義是位移的大小對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)發(fā)生影響，例如大位

移、大轉(zhuǎn)動、初始應(yīng)力、幾何剛性化和突然翻轉(zhuǎn)等。

?分析控制

?為Abaqus/E*pl.icit分析定義自適應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域和自適應(yīng)

網(wǎng)格控制。

?為接觸問題定制求解控制。

選定擇一監(jiān)解控制，，用由制度？口儂中的收斂控制參數(shù)

和時間積分精度算法。

2

在分析過程中，可以有效的顯示求解歷程，為求解過程提

供簡單的指示。選定某個自由度，指示當(dāng)前建的立交如互作用

「過程匿觸選定約拱束結(jié)構(gòu)的中點。

3

ABAQUS/CAE中的接觸分析主要包括以下建模步驟：

1）在Interaction功能模塊、Assembl.y功能模塊或

1.oad功能模塊中定義各個接觸面。

2）在Interaction功能模塊中定義接觸屬性（包括法向接

觸屬性和切向的摩擦屬性）。

3）在Interaction功能模塊中定義接觸（包括主面、從

面、滑動公式、從面位置調(diào)整、接觸屬性、接觸面距離和接觸控

制等）。

4）在Load功能模塊中定義邊界條件，保證消除模型的剛

體位移。

在Interaction功能模塊中，主要可以定義模型的以下相

互作用：

（1）主菜單Interaction定義模型的各部分之間或模型與

外部環(huán)境之間的力學(xué)或熱相互作用，例如接觸、彈性地基、熱輻

射等。

(2)主菜單Constraint定義模型各部分之間的約束關(guān)

系。

(3)主菜單Connector定義模型中的兩點之間或模型與地

面之間的連接單元，用來模擬固定連接、較

接、恒定速度連接、止動裝置、內(nèi)摩擦、失效條件和鎖定

裝置等。

(4)主菜單Special.—Inertia定義慣量(包括點質(zhì)量/

慣量、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量和熱容)。

⑸主菜單Special.—Crack定義裂紋。

(6)主菜單Special.■—Springs/Dashpots定義模型中的

兩點之間或模型與地面之間的彈簧和阻尼器。

⑺主菜單Tool,s常用的菜單項包括Set(集合)、Surface

(面)和Ampl.itude(幅值)等。

接觸

接觸分析中的關(guān)鍵問題是定義接觸屬性、接觸面和接觸關(guān)

系。

即使兩個實體之間或一個裝配件的兩個區(qū)域之間在空間位

置上是互相接觸的，ABAQUS/CAE也不會自動認(rèn)為它們之間存在

著接觸關(guān)系，需要使用Interaction模塊中的主菜單

Interaction來定義這種接觸關(guān)系。相互作用與分析步有關(guān)，必

須規(guī)定相互作用是在哪些分析步中起作用。

在必要的時候，利用接觸管理器激活/不激活接觸，以分析

其區(qū)別。

在三維模型中可以使用自動約束探測快捷方便地定義接觸

和綁定約束。

接觸對中的si.avesurface應(yīng)該是材料較軟，網(wǎng)格較細的

面。

接觸面之間有微小的距離，定義接觸時要設(shè)定“人~上攻上

位置誤差限度“此誤差限度要大于兩觸面之間的距離，否則

ABAQUS會認(rèn)為個面沒有接觸。由于模型中存在數(shù)值誤差，所以

一般要設(shè)置這個位置誤差限度(0.02)o

小滑移問題的接觸壓強總是根據(jù)未變形時的接觸面積來計

算的，有限滑移問題的接觸壓強則是根據(jù)變化的接觸面積來計

算。

如果模型中有塑性材料，或分析過程中會發(fā)生很大的位移

或局部變形，或施加載荷后會使接觸狀態(tài)發(fā)生很大的變化，則應(yīng)

設(shè)置較小的初始時間增量步。

在對分析步的定義中可以使用下面關(guān)鍵詞*CONTACTPRINT將

接觸信息輸出到DAT文件（ABAQUS/CAE不支持）。CPRESS和

CFN的區(qū)別是：CPRESS是從面各個節(jié)點上各自的接觸壓強，而

CFN代表接觸面所有節(jié)點接觸力的合力，它包含四個變量：

CFNM、CFN1、CFN2和CFN3。接觸面所有節(jié)點在垂直于接觸面方

向上接觸力的合力稱為法向接觸力。如果接觸面是曲面，就無法

由CFN直接得到法向接觸力，這時可以通過各個從面節(jié)點的

CPRESS來計算法向接觸力

法向接觸力;從面上所有節(jié)點的CPRESS之和*從面的面積/

從面上的節(jié)點數(shù)

摩擦力二法向接觸力*摩擦系數(shù)

利用MSG文件可以查看分析迭代的詳細過程，從面節(jié)點有

開放和閉合兩種接觸狀態(tài)。如果在一次迭代中節(jié)點的接觸狀態(tài)發(fā)

生了變化，稱為“嚴(yán)重不連續(xù)迭代（SDI）"o如果分析能夠收

斂，每次嚴(yán)重不連續(xù)迭代中Cl.OSURES和OPENINGS的數(shù)目會逐

漸減少，最終所有從面節(jié)點的接觸狀態(tài)都不再發(fā)生變化，就進入

平衡迭代，直至收斂。如果Cl.OSURES和OPENINGS的數(shù)目逐漸

減少，但最終不斷重復(fù)出現(xiàn)“0C1.OSURES,1OPENINGS”和

/CLOSURES,OOPENINGS”（此處的數(shù)字也可以大于1）,即

所謂“振顫”。如果Cl.OSURES和OPENINGS的數(shù)目逐漸減少，

但減小的速度很慢，達到第12次嚴(yán)重不連續(xù)迭代后，ABAQUS就

自動減小增量步長，重新開始迭代。如果增大這個最大次數(shù)，允

許ABAQUS多進行幾次迭代，就有可能達到收斂。操作方法：進

入Step模塊，主菜單

OtherfGeneral.Sol.utionControl.sfEdit,選擇相應(yīng)的分析步，

點擊Continue,選中Specify,點擊TimeIncrementation標(biāo)簽

頁，點擊第一個More,把Is由默認(rèn)的12改為適當(dāng)?shù)闹担缓簏c

擊0K。

如果希望在MSG文件中看到更詳細的接觸分析信息，可以在

Step模塊中選擇菜單OutputfDiagnosticPrint然后選中

Contacto其相應(yīng)的關(guān)鍵詞是*PRINT,CONTACT=YES)定義主面和

從面的一般規(guī)則為：

(1)選取剛度大的面作為主面。這里的“剛度”指材料特

性和結(jié)構(gòu)剛度。解析面或由剛性單元構(gòu)成的面必須作為主面，從

面則必須是柔體上的面(可以是施加了剛性約束的柔體)。

(2)若兩接觸面剛度相似，則選取粗糙網(wǎng)格的面作為主

面。

(3)如果能使兩接觸面的網(wǎng)格節(jié)點位置一一對應(yīng)，則能使

結(jié)果更精確。

(4)主面必須是連續(xù)的，由節(jié)點構(gòu)成的面不能作為主面。

如果是有限滑移，主面在發(fā)生接觸的部位必須是光滑的，即不能

有尖角。

（5）若主面在發(fā)生接觸的部位存在尖銳的凹角或凸角，應(yīng)

該在此尖角處把主面分為兩部分來分別定義，即定義為兩個面。

對于有單元構(gòu)成的主面，ABAQUS會自動進行平滑處理。

（6）若是有限滑移，則在整個分析過程中，都盡量不要讓

從面節(jié)點落到主面之外（尤其不要落在主面的背面），否則容易

出現(xiàn)收斂問題。

（7）一對接觸面的法線方向應(yīng)該相反，都指向?qū)嶓w的外

部。一般來說，對于三維柔性實體，ABAQUS會自動選擇正確的

法線方向，而在使用梁單元、殼單元、膜單元、燈架單元或剛體

單元來定義接觸面時，用戶往往需要自己制訂法線方向，就容易

出現(xiàn)錯誤。

解決接觸分析中的收斂問題：

（1）檢查接觸關(guān)系、邊界條件和約束。

（2）消除剛體位移（Numerical.Singul.arity（數(shù)值奇

異），有些情況下，還會顯示NegativeEigenval.ue（負(fù)特征

值）警告信息）。

（3）一般來說，如果從面上有90°的圓角，建議在此圓角

處至少劃分10個單元。

（4）如果接觸屬性為“硬接觸”應(yīng)盡可能使用六面體一階

單元（C3D8）o如果無法劃分六面體單元網(wǎng)格，可以使用修正的

四面體二次單元（C3D10M）o

（5）避免過約束，即節(jié)點的某個自由度上同時定義了兩個

以上的約束條件?？赡茉斐蛇^約束的因素有：（a）接觸：從面

節(jié)點會受到沿主面法線方向的約束；（b）邊界條件；（c）連接

單元；（d）子模型邊界；（e）各種約束。

（6）摩擦系數(shù)越大，接觸分析就越不容易達到收斂。

約束.

在ABAQUS/CAE的Assembl.y功能模塊、1.oad功能模塊和

Interaction功能模塊中都有“約束”的概念，它們分別有不同

的含義。在Assembl.y功能模塊中，主菜單Constraint（約

束）的作用是定義各個實體間的相互位置關(guān)系，從而確定它們在

裝配件中的初始位置。在Load功能模塊中，主菜單BC的作用

是定義邊界條件，消除模型的剛體位移。在Interaction功能模

塊中，主菜單Constraint（約束）的作用是定義模型各部分的

自由度之間的約束關(guān)系，具體包括以下類型。

（1）Tie（綁定約束）模型中的兩個面被牢固地粘結(jié)在一

起，在分析過程中不再分開。被綁定的兩個面可以有不同的幾何

形狀和網(wǎng)格。

⑵RigidBody（剛體約束）在模型的某個區(qū)域和一個參考點

之間建立剛性連接，此區(qū)域變?yōu)橐粋€剛體，各節(jié)點之間的相對位

置在分析過程中保持不變（為整個實體施加剛體約束時，無論實

體的類型是Sol.id、Shel.1.或Wire,都應(yīng)將剛體約束施加在實

體的單元上，即選擇Body（el.ements））。

⑶Displ.ayBody（顯示體約束）與RigidBody類似，受到

此約束的實體只用于圖形顯示，而不參與分析過程。

*剛體約束和顯示體約束本質(zhì)上是一樣的，其共同優(yōu)點是只

要去掉約束，部件就恢復(fù)成柔體，可以進行多柔體分析。

（4）Coupl.ing（耦合約束）在模型的某個區(qū)域和參考點

之間建立約束。

1）KinematicCoupl.ing（運動耦合）：即在此區(qū)域的各節(jié)

點與參考點之間建立一種運動上的約束關(guān)系。

2）DistributingCoup1.ing（分布耦合）：也是在此區(qū)域

的各節(jié)點與參考點之間建立一種約束關(guān)系，但是對此區(qū)域上各節(jié)

點的運動進行了加權(quán)平均處理，使此區(qū)域上受到的合力和合力矩

與施加在參考點上的力和力矩相等效。換言之，分布耦合允許面

上的各部分之間發(fā)生相對變形，比運動耦合中的面更柔軟。.

（5）Shel.1.-to-Sol.idCoupl.ing（殼體-實心體約束）在板

殼的邊和相鄰實心體的面之間建立約束。

（6）EmbeddedRegion（嵌入?yún)^(qū)域約束）模型的一個區(qū)域鑲

嵌在另一個區(qū)域中。

⑺Equation（方程約束）用一個方程來定義幾個區(qū)域的自

由度之間的相互關(guān)系。

?連接

ABAQUS模擬多體系統(tǒng)的基本思路是：使用2節(jié)點的連接單

元在模型各部分之間建立連接，并通過定義連接屬性來描述各部

分之間的相對運動約束關(guān)系。

連接點可以是模型中的參考點、網(wǎng)格實體的節(jié)點、幾何實

體的頂點或地面。應(yīng)盡量選擇參考點作為連接單元的連接點，而

不要直接使用Sol.id實體的節(jié)點，因為具有旋轉(zhuǎn)屬性的連接單

元會激活Sol.id實體節(jié)點上的旋轉(zhuǎn)自由度，如果這些旋轉(zhuǎn)自由

度沒有得到充分的約束，就會造成收斂問題。

連接單元的作用不僅僅是在兩個連接點之間施加運動約

束，它還有另外一個重要的作用：度量兩個連接點的相對運動、

力和力矩。

在多體分析中，如果連接屬性或邊界條件選擇不正確，很

容易出現(xiàn)過約束。如果ABAQUS無法自動解決過約束問題，則可

能出現(xiàn)以下結(jié)果：（1）分析過程無法達到收斂；（2）雖然能夠

達到收斂，但出現(xiàn)遠遠超過正常數(shù)量級的剛體位移；（3）雖然

能夠達到收斂，位移結(jié)果也正確，但某個連接單元反作用力或力

矩遠遠大于應(yīng)有的值。出現(xiàn)過約束時，在MSG文件中會顯示

OverconstraintCheck和ZeroPivot等警告信息。提示：

ABAQUS/E*pl.icit不會顯示ZeroPivot等警告信息，因此在進

行顯示分析前，應(yīng)首先使用ABAQUS/Standard進行分析，確保模

型中沒有過約束。

一個正確的多體分析模型應(yīng)滿足如下關(guān)系：

實體總數(shù)*6=位移邊界條件所約束的自由度總數(shù)+連接單元

中受約束的相對運動分量總數(shù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點不一定要在連接

單元的連接點所在的位置上，只要坐標(biāo)軸的方向正確即可。

?過約束

msg文件中出現(xiàn)zeropivot說明ABAQUS無法自動解決過約

束問題，例如在樁底部的最外一圈節(jié)點上即定義了tie,又定義

了contact,出現(xiàn)過約束。解決方法是在選擇tie或contact的

si.avesurface時，將類型設(shè)為noderegion,然后選擇區(qū)域時不

要包含這一圈節(jié)點。

,建立交互作用特性

4

交互作用是用來建立模型中接觸表面或相距很近的表面之

間力學(xué)關(guān)系的對象?？梢越⒁幌盗薪换プ饔锰匦裕徒换プ?/p>

用相互獨立，每個交互作用都可以被分配到交互作用特性。交互

作用特性共有三種：接觸特性(contact)、膜條件特性

(fil.econdition)、激勵和傳導(dǎo)特性(actuator/sensor)

接觸交互作用特性可以是切向接觸和法向接觸，接觸面間

可以是有摩擦、無摩擦和阻尼接觸，還可以相互間分離。接觸交

互作用特性中通常包含阻尼、熱傳導(dǎo)、熱輻射、摩擦生熱等信

息。接觸交互作用特性可以被通用接觸、面對面接觸或自我接觸

等交互作用引用。

膜條件交互作用特性定義膜層傳熱系數(shù)為溫度的函數(shù)。膜

條件特性只能被膜條件交互作用引用。

施加邊界條件和荷載

實體單元(sol.idel.ement)只有平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自

由度，所以施加邊界條件時只需約束起平動自由度即可。對于分

析剛體來說，約束只能施加給分析剛體的參考點。缺省的情況

下，ABAQUS將邊界條件傳遞給其后的每一個分析步。對每一個

分析步中的邊界條件可以進行編輯和修改。

指定載荷和邊界條件可以隨著時間相關(guān)的幅值定義變化，

而且幅值定義既可以參考分析步時間也可以參考總時間。默認(rèn)情

況下，一般靜態(tài)分析步中使用斜坡幅值曲線(0+1)。在一般分析

步中，載荷必須以總量而不是以增量的形式給定。

，荷載

1)ConcentratedForce：施加在節(jié)點或幾何實體頂點上的集

中力，表示為力在三個方向上的分量。

2)Moment：施加在節(jié)點或幾何實體頂點上的彎矩，表示為

力矩在三個方向上的分量。

3)Pressure：單位面積荷載(荷載的方向總是與面或邊垂直

正值為壓力，負(fù)值為拉力)。

4)Shel.l.Edgel.oad：施加在板殼邊上的力或彎矩。

5)SurfaceTraction：施加在面上的單位面積荷載，可以是

剪力或任意方向上的力，通過一個向量來描述力的方向。

6)PipePressure：施加在管子內(nèi)部或外部的壓強。

7)BodyForce：單位體積上的體力。

8)1.inel.oad：施加在梁上的單位長度線荷載。

9)Gravity：以固定方向施加在整個模型上的均勻加速度，

例如重力；ABAQUS根據(jù)此加速度和材料屬性中的密度來計算相

應(yīng)的荷載。

10)Bol.tl.oad：螺栓或緊固件上的緊固力，或其長度的變

化。

11)General.izedPl.aneStrain：廣義平面應(yīng)變荷載，它施

加在由廣義平面應(yīng)變單元所構(gòu)成區(qū)域的參考點上。

12)Rotational,bodyforce：由于模型的旋轉(zhuǎn)造成的體力，

需要指定角速度或角加速度，以及旋轉(zhuǎn)軸。

13）ConnectorForce：施加在連接單元上的力。

14）ConnectorMoment：施加在連接單元上的彎矩。

15）溫度和電場變量

?邊界條件

使用主菜中BC可以定義以下類型的邊界條件：（約束）對稱

/反對稱/固支、（施加或約束）位移/轉(zhuǎn)角、速度/角速度、加速度

/角加速度、連接單元位移/速度/加速度、溫度、聲音壓力、孔

隙壓力、電勢、質(zhì)量集中。

*SYMM：對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸1垂直的平面，

即Ul=UR2=UR3=0；

YSYMM：對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸2垂直的平面，

即U2=UR1=UR3=O；

ZSYMM：對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸3垂直的平面，

即U3=UR1=UR2=O；

*ASYMM：反對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸1垂直的平

面，即U2=U3=UR1=O；

YASYMM：反對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸2垂直的平

面，BPUl=U3=UR2=0；

ZASYMM：反對稱邊界條件，對稱面為與坐標(biāo)軸3垂直的平

面，即Ul=U2=UR3=0；

PINNED：約束所有平移自由度，即Ul=U2=U3=0；

ENCASTRE：約束所有自由度（固支邊界條件），即

U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=O.

在邊界條件中給出的位移值是相對于模型初始狀態(tài)的絕對

位移值，而不是當(dāng)前分析步中的增量值。

-場變量和荷載狀況

使用主菜單Fiel.d可以定義場變量（包括初始速度場和溫

度場變量）。有些場變量與分析步有關(guān)，也有些僅僅作用于分析

的開始階段。使用主菜單LoadCase可以定義荷載狀況，荷載狀

況由一系列的荷載和邊界條件組成，用于靜力攝動分析和穩(wěn)態(tài)動

力分析。

6網(wǎng)格劃分6

什么是網(wǎng)格？物理部件模型的幾何近似，包含許多幾何上

簡單的節(jié)點和單元的離散幾何體。

（1）進入單元劃分模塊后，ABAQUS的顏色代表該模型中不

同區(qū)域適合用哪種方法就行單元劃分。綠色表示可以采用結(jié)構(gòu)法

劃分，黃色表示可以用掃掠法劃分，橙色表示該區(qū)域不能用缺省

的單元（實體單元缺省的單元為六面體單元he*ahedral.）形狀

進行單元劃分，必須對該區(qū)域進行分解后才能用缺省的單元形狀

進行單元劃分。當(dāng)然，可以采用四面體單元(tetrahedral.)利

用自由網(wǎng)格技術(shù)對任何形狀的模型區(qū)域進行單元劃分。

?自由劃分：可以應(yīng)用到任意平面和曲面

-結(jié)構(gòu)劃分：結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分通常給出了對網(wǎng)格的最大的

控制

-掃掠劃分：在源面中，相鄰面之間的二面角不能和180。

相差太遠。

?虛擬拓?fù)洌涸谀承┣闆r下，裝配件的部件實例可能包含

一些小的細節(jié)，比如表面和邊。虛擬拓?fù)淇梢院雎赃@些不重要的

細節(jié)。

如果部件實例中包含虛擬拓?fù)?，那么它只能使用以下單?/p>

通過自由網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格：

?自由網(wǎng)格：三角形和四面體單元、用波前法劃分的四邊

形為四邊形為主單元網(wǎng)格

?掃略網(wǎng)格：六面體或者楔形單元

?映射網(wǎng)格：四邊形，三角形，或者六面體單元

(2)分解模型(partition)

可以對模型中的邊(訶86)、面(face)和體(cel.1.)

進行分解。用來將邊、面、體分解成更小部分的點、邊、面都成

為模型中的特征體，這些特征體和其他特征體一樣可以在特征體

管理器中查看。(如：將一個體分解成兩部分需要用一個面將體

切割成兩部分，這個面就成了模型中一個新的特征體。)。

有五種分割特征體可以將一個特征體分解：定義切割面

(definecuttingpl.ane)、使用基準(zhǔn)平面

(usedatumpl.ane)、延伸平面(e*tendedface)、擠壓或旋轉(zhuǎn)

邊(e*trude/sweepedges)、N-sidedpatcho

一次分解操作僅僅只是將被分解的對象分解成兩部分，并

不能改變被分解對象所在特征體(部件實例)的整體性。不能對

剛體進行單元劃分。

(3)設(shè)置網(wǎng)格種子

選擇Seedpart或SeedEdge

-設(shè)置全局種子

-設(shè)置邊上的種子

邊上的種子無約束圓圈

邊上的種子受部分約束三角形

邊上的種子受完全約束方形

對于可以用掃掠方法進行網(wǎng)格劃分的區(qū)域，邊的網(wǎng)格種子

從選定的邊到匹配邊自動傳播，由分區(qū)創(chuàng)建的新邊自動繼承總體

網(wǎng)格種子。

（4）單元劃分控制

在Assignmeshcontrol.中指定單元劃分方法（結(jié)構(gòu)劃分法

（51皿教口牌4）、自由劃分法free）、掃掠法（sweep）等

等）。操作的對象是被分解后的邊、面、和體，可以對同一實例

（裝配模型的特征體）分解后產(chǎn)生的不同邊、面、體分別采用不

同的單元劃分方法，指定不同的單元類型。

在Assignel.ementtype中指定單元類型（六面體單元、四

面體單元等等），選擇單元庫（standard、e*pl.icit）、確定

線性單元（Linear）或者二次單元（quadratic）、確定這兩種

單元的特性：雜交元（hybridformul.ation）、縮減積分

（reducedintegration）、非協(xié)調(diào)單元模式

（incompatibl.emodes）。

1）單元形狀二維問題a）Quad：網(wǎng)格中完全使用四邊形單

o

b）Quad-dominated：網(wǎng)格中主要使用四邊形單元，但在過

渡區(qū)域允許出現(xiàn)三角形單元，更容易實現(xiàn)從粗網(wǎng)格向細網(wǎng)格過

渡。

c）Tri：網(wǎng)格中完全使用三角形單元。

三維問題

a）He*：網(wǎng)格中完全使用六面體單元。

b）He*-dominated：網(wǎng)格中主要使用六面體單元，但在過

渡區(qū)域允許出現(xiàn)鍥形（三棱柱）單元。

c）Tet網(wǎng)格中完全使用四面體單元。

d）Wedge：網(wǎng)格中完全使用楔形單元。

Quad單元（二維）和He*單元（三維）可以用較小的計算

代價得到較高的精度。自由網(wǎng)格采用Tri單元（二維）和Tet單

元（三維），一般應(yīng)選擇帶內(nèi)部節(jié)點的二次單元來保證精度。結(jié)

構(gòu)化網(wǎng)格和掃掠網(wǎng)格一般采用quad單元（二維單元）和he*單

元（三維），分析精度較高，因此在劃分單元時選擇后兩種。

2）三維實體單元類型a）節(jié)點數(shù)目和插值階數(shù)

-線性（Linear）單元又稱一階單元，僅在單元的角點處

布置節(jié)點，在各方向都采用線性插值；

-二次（quadratic）單元又稱二階單元，在每條邊上有中

間節(jié)點，采用二次插值；

-修正的（modified）二次單元只有Tri或Tet單元才有這

種類型，即在每條邊上有中間節(jié)點，并采用修正的二次插值

b）連續(xù)體單元

ABAQUS/Standard的連續(xù)體單元庫包括二維和三維的線性單

元和二次單元，分別可以采用完全積分或減縮積分，另外還有修

正的二次Tri和Tet單元，以及非協(xié)調(diào)模式單元和雜交單元。

ABAQUS/E*pl.icit的連續(xù)體單元庫包括二維和三維的線性

減縮積分單元，以及修正的二次Tri和Tet單元。

ABAQUS/E*pl.icit中沒有二次完全積分的連續(xù)體單元。

c）線性完全積分（1.inearful.1.-integration）單元

保持默認(rèn)的1.inear參數(shù)，取消對Reducedintegration

（減縮積分）的選擇，例如CPS4單元（4節(jié)點四邊形雙線形平

面應(yīng)力完全積分單元）和C3D8單元（8節(jié)點六面體線性完全積

分單元）。所謂“完全積分”是指當(dāng)單元具有規(guī)則形狀時，所用

的離斯積分點的數(shù)目足以對單元剛度矩陣中的多項式進行精確積

分。承受彎曲荷載時，線性完全積分單元會出現(xiàn)剪切自鎖

（shearl.ocking）問題，造成單元過于剛硬,即使劃分很細的

網(wǎng)格，計算精度仍然很差。

d）二次完全積分（quadratic-ful.1.-integration）單元

在El.ementType對話框選擇Quadratic參數(shù)，取消對

Reducedintegration的選擇，例如CPS8（8節(jié)點四邊形二次平

面應(yīng)力完全積分單元）和C3D20（20節(jié)點六面體二次完全積分單

元）。

二次完全積分單元的優(yōu)點如下。

-對應(yīng)力的計算結(jié)果很精確，適于模擬應(yīng)力集中問題;

-一般情況下沒有剪切自鎖。

但使用這種單元時要注意以下問題

-不能用于接觸分析；

-對于彈塑性分析，如果材料是不可壓縮性的（例如金屬材

料），則容易產(chǎn)生體積自鎖（vol.umetric

1.ocking）；

-當(dāng)單元發(fā)生扭曲或彎曲應(yīng)力有梯度時，有可能出現(xiàn)某種程

度的自鎖。

e）線性減縮積分（1.inearreduced-integration）單元

對于Quad單元和He*單元ABAQUS/CAE默認(rèn)的單元類型是線

性減縮積分單元，例如CPS4R（4節(jié)點四邊形雙線形平面應(yīng)力減

縮積分單元）和C3D8R（8節(jié)點六面體線性減縮積分單元）。減

縮積分單元比通常的完全積分單元在每個方向少用一個積分點。

線性減縮積分單元只在單元的中心有一個積分點，由于存在所謂

“沙漏”（hourgl.ass）數(shù)值問題而過于柔軟。ABAQUS在線性

減縮積分單元中引入了“沙漏剛度”以限制沙漏模式的擴展。模

型中的單元越多，這種剛度對沙漏模式的限制越有效。可以選擇

沙漏控制參數(shù)為

Enhanced,Rei.a*Stiffness,Stiffness,Viscous或combinedo

采用線性減縮積分單元模擬承受彎曲荷載的結(jié)構(gòu)時，沿厚度方向

上至少應(yīng)劃分四個單元。

線性縮減積分單元有以下優(yōu)點：

-對位移的求解結(jié)果較精確。

-網(wǎng)格存在扭曲變形時（例如Quad單元的角度遠遠大于或

小于90°），分析精度不會受到大的影響。

-在彎曲荷載下不容易發(fā)生剪切自鎖。

其缺點如下：

-需要劃分較細的網(wǎng)格來克服沙漏問題。

-如果希望以應(yīng)力集中部位的節(jié)點應(yīng)力作為分析指標(biāo)，則盡

量不要使用線性減縮積分單元，而應(yīng)使用二次單元，因為線性縮

減積分單元只在單元的中心有一個積分點，相當(dāng)于常應(yīng)力單元，

它在積分點上的應(yīng)力結(jié)果是相對精確的，而經(jīng)過外插值和平均后

得到的節(jié)點應(yīng)力則不精確。如果在應(yīng)力集中部位進行了網(wǎng)格細

化，使用二次減縮積分單元與二次完全積分單元得到的應(yīng)力結(jié)果

相差不大，而二次減縮積分單元的計算時間相對較短。

Note：在查看模型的應(yīng)力結(jié)果時有兩種選擇：

-查看節(jié)點上的應(yīng)力：這是通常用的方法，其優(yōu)點是簡單方

便，但事實上，后處理中得到的節(jié)點應(yīng)力是對單元積分點上的應(yīng)

力進行外插值和平均后得到的并不精確;

-查看單元積分點上的應(yīng)力：這是ABAQUS所推薦的方法。

線性縮減積分單元只有一個積分點，可以很方便地查看積分點上

的分析結(jié)果，但其他類型的單元有多個積分點，就需要詳細了解

節(jié)點的編號順序，并根據(jù)模型的實際情況來決定查看哪個積分

點，這一過程很煩瑣。另外要注意，單元積分點上的應(yīng)力值往往

不是應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力。

（用戶可以自己在上述兩種方法中做出選擇，需要注意的

是，如果希望查看節(jié)點上的應(yīng)力，就盡量不要使用線性縮減積分

單元；如果使用了線性縮減積分單元，就應(yīng)該查看單元積分點上

的分析結(jié)果，并且要在應(yīng)力變化劇烈的部位劃分足夠細的網(wǎng)格。

如果外推應(yīng)力值與積分點應(yīng)力值差別很大，說明單元間應(yīng)力變化

劇烈，單元網(wǎng)格過于粗糙，計算的應(yīng)力不夠精確。這種外推應(yīng)力

誤差會因為單元網(wǎng)格細化而減小，但總是存在。所以在使用單元

變量的節(jié)點值時要謹(jǐn)慎。默認(rèn)的應(yīng)力不變量的計算方法是

computerscal.arsbeforeaveraging（先不變量再平均）,得到

的節(jié)點應(yīng)力偏大，作為工程分析的結(jié)果會更安全；也可以在

resul.toptions中設(shè)置為computerscal.arsafteraveraging

（先平均再不變量），得到的節(jié)點應(yīng)力偏小。事實上只有單元積

分點上的應(yīng)力結(jié)果是相對精確的，一般在所關(guān)心的高應(yīng)力部位細

化網(wǎng)格，使用默認(rèn)設(shè)置即可。更廣義地說，有限元作為一種數(shù)值

計算方法，其本身就是不精確的。

f)二次縮減積分(quadratic-reduced-integration)單

元

對于Quad單元或He*單元，可以在El.ementType對話框中

將單元類型設(shè)置為二次減縮積分單元，如CPS8R（8節(jié)點四邊形

二次平面應(yīng)力減縮積分單元）和C3D20R（20節(jié)點六面體二次縮

減積分中元），這種單元不但保待了前面介紹的線性縮減積分單

元的優(yōu)點，而且還具有以下特性：

-即使不劃分很細的網(wǎng)格也不會出現(xiàn)嚴(yán)重的沙漏問題

-即使在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，對自鎖問題也不敏感

但使用這種單元時需要注意以下問題：

-不能在接觸分析中使用

?不適于大應(yīng)變問題

-存在與線性減縮積分單元相類似的問題，由于積分點少，

得到的節(jié)點應(yīng)力的精度往往低于二次完全積分單元。

g）非協(xié)調(diào)模式（incompatibl.emodes）單元

對于Quad單元或He*單元，可以在El.ementType對話框中

將單元類型設(shè)為非協(xié)調(diào)模式單元。例如CPS4（4節(jié)點四邊形雙線

形平曲應(yīng)力非協(xié)調(diào)單元）和C3D8I（8節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模

式單元）。僅在

ABAQUS/Standard中有非協(xié)調(diào)模式單元。其目的是克服在線

性完全積分單元中的剪切自鎖問題。

非協(xié)調(diào)摸式單元的優(yōu)點如下：

-克服了剪切自鎖問題，在單元扭曲比較小的情況下，得到

的位移和應(yīng)力結(jié)果很精確；

-在彎曲問題中，在厚度方向上只需很少的單元，就可以得

到與二次單元相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，而計算成本卻明顯降低；

-使用了增強變形梯度的非協(xié)調(diào)模式，單元交界處不會重疊

和開洞，因此很容易擴展到非線性、有限應(yīng)變的位移。

但使用這種單元時需注意，如果所關(guān)心部位的單元扭曲比

較大，尤其是出現(xiàn)交錯扭曲時，分析精度會降低。

h)Tri單元和Tet單元

使用Tri單元和Tet單元時應(yīng)注意以下問題：

-線性Tri單元和Tet單元的精度很差，所以不要在模型

中所關(guān)心的部位及其附近區(qū)域使用。

-二次Tri單元和Trt單元精度較高，而且能模擬任意的幾

何形狀，但計算代價比Quad單元或He*單元大，因此如果模型

中能夠使用Quad單元或He*單元，盡量不要使用Tri單元或Trt

單元。

?二次Trt單元（C3D10）適于ABAQUS/standard中的小位

移無接觸問題;修正的二次Tet單元（C3D10M）適于

ABAQUS/E*pl.icit,以及ABAQUS/standard中的大變形和接觸問

題。

-使用自由網(wǎng)格不易通過布置種子來控制實體內(nèi)部的單元大

小。

i）雜交（hybrid）單元

在ABAQUS/standard中，每一種實體單元（包括所有縮減

積分和非協(xié)調(diào)模式單元）都有其相應(yīng)的雜交單元，用于不可壓縮

材料（泊松比為0.5）或近似不可壓縮材料（泊松比大于

0.475）,橡膠就是一種典型的不可壓縮材料。除了平面應(yīng)力問題

之外，不能用普通單元來模擬不可壓縮材料的響應(yīng)，因為此時單

元中的壓應(yīng)力是不確定的。雜交單元在它的名字中含有字母H。

ABAQUS/E*pl.icit中沒有雜交單元。j）混合使用不同類型的單

元

當(dāng)三維實體幾何形狀較復(fù)雜時，無法在整個實體上使用結(jié)

構(gòu)化網(wǎng)格或掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)，得到He*單元網(wǎng)格，這時一種常

用的做法是對于實體不重要的部分使用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，生成

Tet單元網(wǎng)格，而對于所關(guān)心的部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或掃掠網(wǎng)格

生成He*單元網(wǎng)格，在生成這樣的網(wǎng)格時，ABAQUS會給出提示將

生成非協(xié)調(diào)的網(wǎng)格，在不同單元類型的交界處將自動創(chuàng)建綁定

(tie)約束。

需要注意的是，在不同單元類型網(wǎng)格的交界處.，即使單元

角部節(jié)點是重合的，仍然有可能出現(xiàn)不連續(xù)的應(yīng)力場，而且在交

界處的應(yīng)力可能大幅度地增大。如果在實體中混合使用線性和二

次單元，也會出現(xiàn)類似的問題。因此在混合使用不同類型的單元

時，應(yīng)確保其交界處遠離所關(guān)心的區(qū)域，并仔細檢查分析結(jié)果是

否正確。

對于無法完全采用He*單元網(wǎng)格的實體，還可以使用以下方

法：

-對整個實體劃分Tet單元網(wǎng)格，使用二次單元C3D10或修

正的二次單元C3D10M,同樣可以達到所需的精度，只是計算時間

較長。

?改變實體中不重要部位的幾何形狀，然后對整個實體采

用He*單元網(wǎng)格。

k)選擇三維實體單元類型的基本原則

-對于三維區(qū)域，盡可能采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)或掃掠網(wǎng)

格劃分技術(shù)，從而得到He*單元網(wǎng)格，減小計算代價，提高計算

精度。當(dāng)幾何形狀復(fù)雜時，也可以在不重要的區(qū)域使用少量楔形

(Wedge)單元。

-如果使用了自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，Tet單元的類型應(yīng)選擇二

次單元。在ABAQUS/E*pl.icit中應(yīng)選擇修正的Tet單元

C3D10M,在,ABAQUS/Standard中可以選擇C3D10,但如果有大的

塑性變形，或模型中存在接觸，而且使用的是默認(rèn)的“硬”接觸

關(guān)系，則也應(yīng)選擇修正的Tet單元C3D10M。

-ABAQUS的所有單元均可用于動態(tài)分析，選取單元的一般原

則與靜力分析相同。但在使用ABAQUS/E*pl.icit模擬沖擊或爆

炸荷載時，應(yīng)選用線性單元，因為它們具有集中質(zhì)量公式，模擬

應(yīng)力波的效果優(yōu)于二次單元所采用的一致質(zhì)量公式。

如果使用的求解器是ABAQUS/Standard,在選擇單元類型時

還應(yīng)注意以下方面：

-對于應(yīng)力集中問題，盡量不要使用線性減縮積分單元，可

使用二次單元來提高精度。如果在應(yīng)力集中部位進行了網(wǎng)格細

化，使用二次減縮積分單元與二次完全積分單元得到的應(yīng)力結(jié)果

相差不大，而二次減縮積分單元的計算時間相對較短。

-對于彈塑性分析，如果材料是不可壓縮性的（例如金屬材

料），則不能使用二次完全積分單元（C3D20）,否則會出現(xiàn)體

積自鎖問題，也不要使用二次Tri單元或Tet單元。推薦使用的

是修正的二次Tri單元或Tet單元（C3D10M）、非協(xié)調(diào)單元

（C3D8I）,以及線性減縮積分單元（C3D8R）。如果使用二次減

縮積分單元，當(dāng)應(yīng)變超過20240%時要劃分足夠密的網(wǎng)格。

?塑性材料和接觸面上都不能用C3D20R和C3D20單元，這

可能是你收斂問題的主要原因。如果需要得到應(yīng)力，可以使用

C3D8I（在所關(guān)心的部位要讓單元角度盡量近90度），如果只關(guān)

心應(yīng)變和位移，可以使用C3D8R,幾何形狀復(fù)雜時，可以使用

C3D10Mo

-如果模型中存在接觸或大的扭曲變形，則應(yīng)使用線性Quad

或He*單元，以及修正的二次Tri單元或Tet單元，而不能使用

其他的二次單元。

-對于以彎曲為主的問題，如果能夠保證在所關(guān)心部位的單

元扭曲較小，使用非協(xié)調(diào)單元（例如C3D8I單元）可以得到非常

精確的結(jié)果。

-除了平面應(yīng)力問題之外，如果材料是完全不可壓縮的（例

如橡膠材料），則應(yīng)使用雜交單元；在某些情況下，對于近似不

可壓縮材料也應(yīng)使用雜交單元。

3）選擇殼單元的類型

如果一個薄壁構(gòu)件的厚度遠小于其典型整體結(jié)構(gòu)尺寸（一

般為小于1/10）,并且可以忽略厚度方向的應(yīng)力，就可以用殼

單元來模擬此結(jié)構(gòu)。殼體問題可以分為兩類：薄殼問題忽略橫向

剪切變形）和厚殼問題（考慮橫向剪切變形）。對于單一各向同

性材料，一般當(dāng)厚度和跨度的比值小于1/15時，可以認(rèn)為是薄

殼；大于1/15時，則可以認(rèn)為是厚殼。對于復(fù)合材料，這個比

值需要更小一些。

ABAQUS的殼單元可以有多種分類方法，按照薄殼和厚殼可

劃分為：

-通用目的(general,-purpose)殼單元：此類單元對薄殼

和厚殼問題均有效。

?特殊用途(special,-purpose)殼單元：包括純薄殼

(thin-onl.y)單元和純厚殼(thick-onl.y)單元。

根據(jù)單元的定義方式，還可以將ABAQUS殼單元劃分為：

-常規(guī)(conventional.)殼單元：通過定義單元的平面尺

寸、表面法向和初始曲率來對參考面進行離散，只能在截面屬性

中定義殼的厚度，而不能通過節(jié)點來定義殼的厚度。

?連續(xù)體(continuum)殼單元：類似于三維實體單元，對

整個三維結(jié)構(gòu)進行離散。

選擇殼單元的類型時可以遵循以下原則：

?對于薄殼問題，常規(guī)殼單元的性能優(yōu)于連續(xù)體殼單元；

而對于接觸問題，連續(xù)體殼單元的計算結(jié)果更加精確，因為它能

在雙面接觸中考慮厚度的變化。

-如果需要考慮薄膜模式或彎曲模式的沙漏問題，或模型中

有面內(nèi)彎曲，在ABAQUS/Standard中使用S4單元(4節(jié)點四邊

形有限薄膜應(yīng)變線性完全積分殼單元)可以獲得很高的精度。

?S4R單元（4節(jié)點四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單

元）性能穩(wěn)定，適用范圍很廣。

-S3/S3R單元（3節(jié)點三角形有限薄膜應(yīng)變線性殼單元）可

以作為通用殼單元使用。由于單元中的常應(yīng)變近似，需要劃分較

細的網(wǎng)格來模擬彎曲變形或高應(yīng)變梯度。

?對于復(fù)合材料，為模擬剪切變形的影響，應(yīng)使用適于厚

殼的單元（例如S4、S4R、S3、S3R、S8R）,并要注意檢查截面

是否保持平面。

?四邊形或三角形的二次殼單元對剪切自鎖或薄膜自鎖都

不敏感，適用于一般的小應(yīng)變薄殼。

-在接觸模擬中，如果必須使用二次單元，不要選擇STRI65

單元（三角形二次殼單元），而應(yīng)使用S9R5單元（9節(jié)點四邊

形殼單元）。

-如果模型規(guī)模很大且只表現(xiàn)幾何線性，使用S4R5單元

（線性薄殼單元）比通用殼單元更節(jié)約計算成本。

?在ABAQUS/E*pl.icit中，如果包含任意大轉(zhuǎn)動和小薄膜

應(yīng)變，應(yīng)選用小薄膜應(yīng)變單元。

4）選擇梁單元的類型

如果一個構(gòu)件橫截面的尺寸遠小于其軸向尺度（一般的判

據(jù)為小于1/10）,并且沿長度方向的應(yīng)力是最重要的因素，就可

以用梁單元來模擬此結(jié)構(gòu)。ABAQUS中的所有梁單元都是梁柱類

單元，即可以產(chǎn)生軸向變形、彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。Timoshenko

梁單元還考慮了橫向剪切變形的影響。B21和B31單元（線性梁

單元）以及B22和B32單元（二次梁單元）是考慮剪切變形的

Timoshenko梁單元，它們既適用于模擬剪切變形起重要作用的

深梁，又適用于模擬剪切變形不太重要的細長梁。這些單元的橫

截面特性與厚殼單元的橫截面特性相同。

ABAQUS/Standard中的三次單元B23和B33被稱為Eul.er-

Bernoul.Li梁單元，它們不能模擬剪切變形，但適合于模擬細

長的構(gòu)件（橫截面的尺寸小于軸向尺度的1/10）。由于三次單

元可以模擬沿長度方向的三階變量，所以只需劃分很少的單元就

可以得到很精確的結(jié)果。

選擇梁單元的類型可以遵循以下原則。

-在任何包含接觸的問題中，應(yīng)使用B21或