【ABAQUS案例分析】：从问题定义到结果后处理的全过程解读


参考资源链接：[ABAQUS 2016分析用户手册：卷II](https://wenku.csdn.net/doc/6412b701be7fbd1778d48c01?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ABAQUS问题定义的理论基础

## 1.1 有限元分析(FEA)简介
有限元分析(FEA)是通过计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)工具模拟复杂工程结构和产品的性能，它能够预测材料对各种复杂载荷的响应。ABAQUS作为FEA软件之一，以其广泛的材料模型和分析类型，在工程仿真领域具有重要地位。

## 1.2 ABAQUS的分析流程
在ABAQUS中，进行一次成功的分析需要遵循一系列步骤，包括问题定义、模型建立、网格划分、边界条件和载荷施加、求解过程监控以及结果后处理。掌握这些步骤，是进行有效仿真的理论基础。

## 1.3 ABAQUS的计算力学理论
ABAQUS涵盖了广泛的计算力学理论，包括结构线性与非线性理论、热传导、流体力学和多物理场耦合。理解这些理论，可以帮助用户更好地定义问题和选择合适的分析类型。

# 2. ABAQUS模型建立和网格划分

## 2.1 ABAQUS模型的基本概念

### 2.1.1 零件、组件和装配体

在ABAQUS中，模拟的起始点是定义零件。零件是构成模型的单个几何实体，它可以是二维面或三维实体。创建零件后，可以使用各种建模技术对其几何形状进行定义和修改。

**零件的创建和操作步骤：**

1. **启动ABAQUS/CAE**：首先，启动ABAQUS/CAE（Complete ABAQUS Environment），它是进行模型创建、分析和结果后处理的用户界面。

2. **创建零件**：通过“Part”模块创建零件，并为零件命名。例如，创建一个名为“Beam”的零件。

3. **选择模型尺寸**：根据问题的需求选择合适的建模单位。例如，如果模拟的是一个建筑结构，单位可能选择米（m）。

4. **绘制草图**：在零件模块中开始绘制草图，根据需要定义零件的截面形状。例如，在XY平面绘制一个矩形。

5. **三维建模**：通过拉伸、旋转或扫描草图来生成三维模型。在“Beam”例子中，可以选择拉伸矩形截面形成结构梁。

6. **零件装配**：一旦定义了所有需要的零件，就可以将它们组合成装配体。在ABAQUS中，装配体是一个或多个零件的集合，它们之间可以具有相对运动。

**组件的建立**：

1. **定义组件**：组件是对相似或有相同属性零件的分组。例如，在一个装配体中，所有梁可以组成一个组件，所有板可以组成另一个组件。

2. **设置实例**：组件的每一个实体都可以被定义为一个实例，以允许在装配过程中重复使用。实例可以被移动、旋转或镜像。

**装配体**：

1. **创建装配体**：在ABAQUS/CAE中，使用“Assembly”模块进行装配体的创建。装配体是零件和组件的集合，并定义了它们在空间中的相互位置和关系。

2. **设置约束**：定义装配体时，可能需要设置约束以确保零件之间保持正确的相对位置。

在定义完零件、组件和装配体之后，就可以进行下一步的网格划分了。这一阶段的准确建模对确保后续分析的准确性和效率至关重要。

### 2.1.2 材料定义和截面属性

在进行任何有限元分析时，定义准确的材料属性和截面特性对于分析结果的可信度至关重要。材料属性定义了材料的基本力学行为，如弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数等。截面属性则描述了材料在截面上的分布情况，这在结构分析中尤为重要。

**材料定义的步骤：**

1. **打开材料模块**：在ABAQUS/CAE中，通过“Property”模块进行材料属性的定义。

2. **创建新的材料**：为模型创建一个新的材料，并为材料命名，如命名为“Steel”。

3. **输入材料属性**：根据实际材料的特性，输入相关的材料参数。例如，对于结构钢，可以输入其杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m³。

4. **定义其他特性**：根据需要定义材料的其他特性，比如热传导率、比热容等。

**截面属性的定义：**

1. **创建截面**：在“Property”模块中创建一个新的截面，并为截面命名。

2. **选择截面类型**：ABAQUS提供了多种截面类型，包括实体截面、壳截面和梁截面等。根据模型中的零件类型，选择适当的截面类型。

3. **输入截面参数**：根据截面类型，输入所需的参数。例如，对于壳体截面，可能需要定义壳体厚度；对于梁截面，需要定义梁的截面尺寸和形状。

4. **将截面分配给零件**：选择相应的零件，并将定义好的截面分配给这些零件。这样，ABAQUS就能识别每个零件的几何特性。

在定义材料和截面属性时，一定要保证所有输入数据的准确性和完整性。数据的准确性直接影响到有限元分析结果的有效性。

## 2.2 ABAQUS中的网格划分技术

### 2.2.1 网格类型和适用场景

网格划分是有限元分析中的核心步骤，它涉及将连续的结构划分成有限数量的小元素，以便进行数值计算。ABAQUS提供了多种网格划分类型，每种类型适用于不同的分析场景和几何复杂性。

**网格类型及其适用性：**

1. **四边形和三角形网格**：这两种类型的网格适用于二维平面或表面建模。四边形网格通常在结构比较规则时使用，而三角形网格则更适合处理不规则边界。

2. **六面体和四面体网格**：六面体网格在三维体建模中应用广泛，尤其是在规则几何形状和结构中。四面体网格则更加灵活，可以有效处理复杂和不规则的几何形状。

3. **混合网格**：混合网格结合了两种或多种不同类型网格的优点，可以用于提高某些区域的网格密度，同时保证整体网格数量的合理。

**网格划分的最佳实践：**

1. **考虑分析类型**：在选择网格类型时，必须考虑到模拟分析的类型，比如是静态还是动态分析，是线性还是非线性问题。

2. **关注几何特性**：几何形状的复杂程度会影响网格的选择。对于复杂边界，四面体网格往往更有优势。

3. **重视计算资源**：高密度网格会显著增加计算需求，因此在保证精度的前提下，应该尽量减少网格数量。

4. **后处理需求**：某些后处理功能，如应力梯度的精确分析，可能需要更细的网格划分。

在进行网格划分时，需要综合考虑模型的几何特性、分析类型和计算资源，以获得最佳的模拟结果。接下来，让我们深入探讨网格密度和质量控制的要点。

### 2.2.2 网格密度和质量控制

网格密度是指单位长度或面积上的网格数量，直接关系到模拟的精确度和计算时间。高质量的网格应具备良好的形状，以便于数值计算的稳定性和准确性。

**网格密度的确定：**

1. **关键区域细化**：模拟中关注的区域，比如应力集中区或结构复杂区，需要更细密的网格。

2. **误差估计**：使用误差估计技术来预测结果的误差，从而指导网格密度的调整。

3. **收敛性分析**：进行逐步加密网格的收敛性分析，以验证结果的稳定性。

**网格质量的控制：**

1. **几何形状**：理想的网格单元应该尽量接近正方形或正多面体，以减少求解过程中的数值误差。

2. **尺寸过渡**：在不同密度的网格区域之间，需要合理地过渡，避免产生较大的尺寸突变。

3. **检查网格**：使用ABAQUS提供的网格检查工具，如“Mesh Check”功能，来识别和修正潜在的网格问题。

4. **网格优化**：对初步划分的网格进行优化，通过平滑或调整网格节点位置，提高网格的整体质量。

网格密度和质量的控制是一个迭代的过程，需要根据模拟结果不断调整和优化。接下来，我们将讨论一些高级网格划分技巧，它们可以帮助解决特定的建模问题。

### 2.2.3 高级网格划分技巧

高级网格划分技巧可以在复杂几何建模和特殊分析要求的情况下提供帮助，它们能够进一步提高模拟的准确性和效率。

**扫掠（Sweeping）技术**：

当模型具有类似条形或板状的几何形状时，扫掠技术非常有用。它允许用户在沿特定路径拖动剖面来生成网格。这种方法通常用于线性或曲面几何，适用于生成一致且规则的六面体网格。

**四面体网格自适应细化**：

对于复杂的三维几何形状，四面体网格自适应细化技术可以帮助用户在需要的区域生成更高密度的网格，而不需要手动细化整个模型。

**网格控制面技术（Mesh Control）**：

在ABAQUS中，可以使用网格控制面技术对特定区域进行网格密度控制。这种技术可以指定网格尺寸、形状和网格过渡方式，是调整网格密度的有效手段。

**网格种子点（Seed Points）技术**：

通过在特定位置放置网格种子点，用户可以控制网格的生长方式。种子点技术特别适用于控制复杂几何边界的网格分布。

运用这些高级技巧，用户可以根据特定模型和分析需求灵活地控制网格生成，最终达到提高模拟精度和效率的目的。

## 2.3 实践案例：复杂结构的网格划分

### 2.3.1 案例介绍和问题定义

本案例将介绍一个复杂结构的网格划分过程，该结构为一工业零件，具有不规则的几何形状和需要特别关注的应力集中区域。

**案例描述**：

- 零件为一典型的机械零件，由不同厚度的板材焊接而成。
- 材料为结构钢，承受周期性载荷。
- 分析目标是识别应力集中区域并评估其疲劳寿命。

**问题定义**：

- **几何建模**：首先需要精确地建立零件的几何模型，包含所有细节。
- **材料属性**：定义材料属性，并创建相应的截面属性。
- **网格划分**：划分高质量的网格以确保模拟的准确性。
- **边界条件和载荷施加**：在后续章节中详细介绍。

### 2.3.2 网格划分实施步骤

**步骤1：几何建模**

1. 使用“Part”模块创建几何模型，并保存各个独立的部件。
2. 将这些部件装配到一起，形成整个零件的装配体。

**步骤2：材料和截面属性