石亦平ABAQUS有限元分析实例详解之读后小结_abaqus挖掘生死单元

读后小结

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第 i 页

第一章 ABAQUS 简介 .................................................................................................................1

第二章 ABAQUS 基本使用方法 .................................................................................................1

第三章线性静力分析实例.........................................................................................................6

第四章 ABAQUS 的主要文件类型 ...........................................................................................8

第五章接触分析实例...................................................................................................................9

第六章弹塑性分析实例.............................................................................................................13

第七章热应力分析实例.............................................................................................................15

第八章多体分析实例.................................................................................................................16

第九章动态分析实例.................................................................................................................17

第十章复杂工程分析综合实例.................................................................................................20

石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结

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第一章 ABAQUS 简介

[1] (pp7) 在[开始] →[程序] →[ABAQUS 6.5-1]→[ABAQUS COMMAND]，DOS 提示符下输入命令

Abaqus fetch job = <file name>

可以提取想要的算例 input 文件。

第二章 ABAQUS 基本使用方法

[2] (pp15) 快捷键：Ctrl+Alt+左键来缩放模型；Ctrl+Alt+中键来平移模型；Ctrl+Alt+右键来旋转模型。

(pp16) ABAQUS/CAE 不会自动保存模型数据，用户应当每隔一段时间自己保存模型以避免意外丢

失。

[3] (pp17) 平面应力问题的截面属性类型是 Solid（实心体）而不是 Shell（壳）。

ABAQUS/CAE 推荐的建模方法是把整个数值模型（如材料、边界条件、载荷等）都直接定义在几

何模型上。载荷类型 Pressure 的含义是单位面积上的力，正值表示压力，负值表示拉力。

[4] (pp22) 对于应力集中问题，使用二次单元可以提高应力结果的精度。

[5] (pp23) Dismiss 和 Cancel 按钮的作用都是关闭当前对话框，其区别在于：前者出现在包含只读数据

的对话框中；后者出现在允许作出修改的对话框中，点击 Cancel 按钮可关闭对话框，而不保存所

修改的内容。

[6] (pp26) 每个模型中只能有一个装配件，它是由一个或多个实体组成的，所谓的“实体”（instance）

是部件（part）在装配件中的一种映射，一个部件可以对应多个实体。材料和截面属性定义在部件

上，相互作用（interaction）、边界条件、载荷等定义在实体上，网格可以定义在部件上或实体上，

对求解过程和输出结果的控制参数定义在整个模型上。

[7] (pp26) ABAQUS/CAE 中的部件有两种：几何部件（native part）和网格部件（orphan mesh part）。

创建几何部件有两种方法：（1）使用 Part 功能模块中的拉伸、旋转、扫掠、倒角和放样等特征来

直接创建几何部件。（2）导入已有的 CAD 模型文件，方法是：点击主菜单 File→Import→Part。

网格部件不包含特征，只包含节点、单元、面、集合的信息。创建网格部件有三种方法：（1）导

入 ODB 文件中的网格。（2）导入 INP 文件中的网格。

（3）把几何部件转化为网格部件，方法是：

进入 Mesh 功能模块，点击主菜单 Mesh→Create Mesh Part。

[8] (pp31) 初始分析步只有一个，名称是 initial，它不能被编辑、重命名、替换、复制或删除。在初始

分析步之后，需要创建一个或多个后续分析步，主要有两大类：

（1）通用分析步（general analysis step）可以用于线性或非线性分析。常用的通用分析步包含以下

类型：

— Static, General: ABAQUS/Standard 静力分析

— Dynamics, Implicit: ABAQUS/Standard 隐式动力分析

石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结

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— Dynamics, Explicit: ABAQUS/ Explicit 显式动态分析

（2）线性摄动分析步（linear perturbation step）只能用来分析线性问题。在 ABAQUS/Explicit 中不

能使用线性摄动分析步。在 ABAQUS/Standard 中以下分析类型总是采用线性摄动分析步。

— Buckle: 线性特征值屈曲。

— Frequency: 频率提取分析。

— Modal dynamics: 瞬时模态动态分析。

— Random response: 随机响应分析。

— Response spectrum: 反应谱分析。

— Steady-state dynamics: 稳态动态分析。

[9]（pp33）在静态分析中，如果模型中不含阻尼或与速率相关的材料性质，“时间”就没有实际的物理

意义。为方便起见，一般都把分析步时间设为默认的 1。每创建一个分析步，ABAQUS/CAE 就会

自动生成一个该分析步的输出要求。

[10]（pp34）自适应网格主要用于 ABAQUS/Explicit 以及 ABAQUS/Standard 中的表面磨损过程模拟。

在一般的 ABAQUS/Standard 分析中，尽管也可设定自适应网格，但不会起到明显的作用。Step 功

能模块中，主菜单 Other→Adaptive Mesh Domain 和 Other→Adaptive Mesh Controls 分别设

置划分区域和参数。

[11]（pp37）使用主菜单 Field 可以定义场变量（包括初始速度场和温度场变量）。有些场变量与分析

步有关，也有些仅仅作用于分析的开始阶段。使用主菜单 Load Case 可以定义载荷状况。载荷状

况由一系列的载荷和边界条件组成，用于静力摄动分析和稳态动力分析。

[12]（pp42）独立实体是对部件的复制，可以直接对独立实体划分网格，而不能对相应的部件划分网格。

非独立实体是部件的指针，不能直接对非独立实体划分网格，而只能对相应的部件划分网格。由网

格部件创建的实体都是非独立实体。

[13]（pp45）Quad 单元（二维区域内完全使用四边形网格）和 Hex 单元（三维区域内完全使用六面体

网格）可以用较小的计算代价得到较高的精度，因此应尽可能选择这两种单元。

[14]

（pp45）结构化网格和扫掠网格一般采用 Quad 单元和 Hex 单元，分析精度相对较高。因此优先选

用这两种划分技术。使用自由网格划分技术时，一般来说，节点的位置会与种子的位置相吻合。使

用结构化网格和扫掠网格划分技术时，如果定义了受完全约束的种子，划分可能失败。

[15]（pp45）划分网格的两种算法：

中性轴算法（Medial Axis）：

（1）中性轴算法（Medial Axis）更易得到单元形状规则的网格，但网格与种子的位置吻合得较差。

（2）在二维区域中，使用此算法时选择 Minimize the mesh transition（最小化网格的过渡）可提

高网格质量，但更容易偏离种子。当种子布置得较稀疏时，使用中性轴算法得到的单元形状更

规则。

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（3）如果在模型的一部分边上定义了受完全约束的种子，中性轴算法会自动为其他的边选择最佳的

种子分布。

（4）中性轴算法不支持由 CAD 模型导入的不精确模型和虚拟拓扑。

进阶（Advancing Front）算法

（1）网格可以与种子的位置很好地吻合，但在较窄的区域内，精确匹配每粒种子可能会使网格歪

斜。

（2）更容易得到单元大小均匀的网格。有些情况下，单元均匀是很重要的，例如在 ABAQUS/Explicit

中，网格中的小单元会限制增量步长。

（3）容易实现从粗网格到细网格的过渡。

（4）支持不精确模型和二维模型的虚拟拓扑。

[16]（pp50）网格划分失败时的解决办法

网格划分失败的原因：

（1）几何模型有问题，例如模型中有自由边或很小的边、面、尖角、裂缝等。

（2）种子布置得太稀疏。

如果无法成功地划分 Te t 网格，可以尝试以下措施：

（1）在 Mesh 功能模块中，选择主菜单 Tools→Query 下的 Geometry Diagnostics，检查模型中

是否有自由边、短边、小平面、小尖角或微小的裂缝。如果几何部件是由 CAD 模型导入的，则

应注意检查是否模型本身就有问题（有时可能是数值误差导致的）；如果几何部件是在

ABAQUS/CAE 中创建的，应注意是否在进行拉伸或切割操作时，由于几何坐标的误差，出现

了上述问题。

（2）在 Mesh 功能模块中，可以使用主菜单 Tools→Virtual Topology（虚拟拓扑）来合并小的边或

面，或忽略某些边或顶点。

（3）在 Part 功能模块中，点击主菜单 Tools→Repair，可以修复存在问题的几何实体。

（

4）在无法生成网格的位置加密种子。

[17]（pp51）网格质量检查

在 Mesh 功能模块中，点击主菜单 Mesh → Verify，可以选择部件、实体、几何区域或单元，检查

其网格的质量，获得节点和单元信息。在 Verify Mesh 对话框，选择 Statistical Checks（统计检

查）可以检查单元的几何形状，选择 Analysis Checks（分析检查）可以检查分析过程中会导致错

误或警告信息的单元。单击 Highlight 按钮，符合检查判据的单元就会以高亮度显示出来。

[18]（pp51）单元选择原则

ABAQUS 拥有 433 种单元，分 8 大类：连续体单元（continuum element，即实体单元 solid element）、

壳单元、薄膜单元、梁单元、杆单元、刚体单元、连接单元和无限元。

（1）线性单元（即一阶单元）；二次单元（即二阶单元）；修正的二次单元（只有 Tri 或 Te t 才有此类

型）。

（2） ABAQUS/Explicit 中没有二次完全积分的连续体单元。

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（3）线性完全积分单元的缺点：承受弯曲载荷时，会出现剪切自锁，造成单元过于刚硬，即使划分

很细的网格，计算精度仍然很差。

（4）二次完全积分单元的优点：（a）应力计算结果很精确，适合模拟应力集中问题；（b）一般情况

下，没有剪切自锁问题。但使用这种单元时要注意：（a）不能用于接触分析；（b）对于弹塑性

分析，如果材料不可压缩（例如金属材料），则容易产生体积自锁；（c）当单元发生扭曲或弯曲

应力有梯度时，有可能出现某种程度的自锁。

（5）线性减缩积分单元在单元中心只有一个积分点，存在沙漏数值问题而过于柔软。采用这种单元

模拟承受弯曲载荷的结构时，沿厚度方向上至少应划分四个单元。优点：（a）位移计算结果较

精确；（b）网格存在扭曲变形时（例如 Quad 单元的角度远远大于或小于 90º），分析精度不会

受到明显的影响；（c）在弯曲载荷下不易发生剪切自锁。缺点：（a）需要较细网格克服沙漏问

题；（b）如果希望以应力集中部位的节点应力作为分析目标，则不能选用此单元。

（6）二次减缩积分单元不但保持线性减缩积分单元的上述优点，还具有如下特点：（a）即使不划分

很细的网格也不会出现严重的沙漏问题；（b）即使在复杂应力状态下，对自锁问题也不敏感。

使用这种单元要注意：（a）不能用于接触分析；（b）不能用于大应变问题；（c）存在与线性减

缩积分单元类似的问题，即节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。

（7）非协调模式单元可克服线性完全积分单元中的剪切自锁问题，仅在 ABAQUS/Standard 有。优

点：（a）克服了剪切自锁问题，在单元扭曲比较小的情况下，得到的位移和应力结果很精确；

（b）在弯曲问题中，在厚度方向上只需很少的单元，就可以得到与二次单元相当的结果，而计

算成本却明显降低；（c）使用了增强变形梯度的非协调模式，单元交界处不会重叠或开洞，因

此很容易扩展到非线性、有限应变得位移。但使用这种单元时要注意：如果所关心部位的单元

扭曲比较大，尤其是出现交错扭曲时，分析精度会降低。

（8）使用 Tri 或 Te t 单元要注意：（a）线性 Tri 或 Te t 单元的精度很差，不要在模型中所关心的部位

及其附近区域使用；（b）二次 Tri 或 Te t 单元的精度较高，而且能模拟任意的几何形状，但计算

代价比 Quad 或 Hex 单元大，因此如果能用 Quad 或 Hex 单元，就尽量不要使用 Tri 或 Tet 单

元；（c）二次 Tet 单元(C3D10)适于 ABAQUS/Standard 中的小位移无接触问题；修正的二次

Tet 单元(C3D10M)适于 ABAQUS/Explicit 和 ABAQUS/Standard 中的大变形和接触问题；（d）

使用自有网格不易通过布置种子来控制实体内部的单元大小。

（9）杂交单元在ABAQUS/Standard中，每一种实体单元都有其对应的杂交单元，用于不可压缩材

料（泊松比为0.5，如橡胶）或近似不可压缩材料（泊松比大于0.475）。除了平面应力问题之

外，不能用普通单元来模拟不可压缩材料的响应，因为此时单元中的应力士不确定的。

ABAQUS/Explicit中没有杂交单元。

[19]（pp57）在混合使用不同类型单元时，应确保其交界处远离所关心的区域，并仔细检查分析结果是

否正确。对于无法完全采用Hex单元网格的实体，还可采用以下方法：（a）对整个实体划分Tet 单

元网格，使用二次单元C3D10 或修正的二次单元C3D10M，同样可以达到所需精度，只是计算时

间较长；（b）改变实体中不重要部位的几何形状，然后对整个实体采用Hex单元网格。

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