完整版庄茁书笔记abaqus精通.docx

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完整版庄茁书笔记abaqus精通

庄茁书笔录-abaqus精晓

隐式求解:

先由均衡方程计算出各节点位移，再利用计算出来的位移计算应力

及应变。

每个求解step结束以后，需要求解一次

显示求解

:

描绘应力波传达的过程，不一样的

step

中，应力波传达到的地点不一

样假如模型中出现了

numericalsingularity（

数值奇怪

）或许

zeropivot

主元素

为0，查察能否缺乏了限制刚体平动或转动的拘束。

Step步中能够指定输出变量

Interactionmodule:

能够定义tie，equationandrigidbody，与step有关

联，一定指定互相作用发生在哪个剖析步。

Load中指定荷载、界限和场变量。

这也与

step

有关系

Standard、explicit

作为

elementlibrary（

单元库）选择

Linear

、quadratic

作为

geometric（

几何阶次

）选择

Truss作为单元族选择

刚性体:

对于变形可忽视的部分可作为刚性体，减小模型规模。

单元的表征:

单元名字的第一个字母或许字母串表示该单元属于哪个单元族。

仅在角点处部署节点的单元称为线性单元;在每条边上有中间节点的单元，称为二

次单元。

单元的节点数目存在单元名字中，如C3D8八节点实体单元，S8R八节点

一般壳单元，B31一阶三维梁单元，C3D20表示20节点实体单元，C3D10M表示10

节点四周体单元，C3D4表示一阶四周体单元。

ABAQUS/Standard供给了对于线性和二次单元的宽泛选择。

除了二次梁单元

B32和修正的四周体和三角形单元外，ABAQUS/Explicit仅供给线性单元

数学描绘formulation:

定义单元的数学理论，在不考虑自适应网格的状况下，

abaqus中所有的应力/位移单元的行为都是鉴于拉格朗日或资料描绘的，剖析中，

与单元关系的资料保持与单元关系，并且资料不可以从单元中流出和超出单元的边

界。

而欧拉或空间spatial描绘则要求单元在空间固定，资料在他们之间流动。

单元族除了拥有标准的数学公式描绘以外，还有可供选择的公式描绘，经过在

单元名字末端的附带字母表记。

照实体、梁、桁架单元族包含了采纳杂交公式的单

元，他们将静水压力或轴力办理为一个附带的未知量C3D8H,B31H以.字母C开头和字母T结尾的单元C3D8T同时拥有力学和热学的自由度。

积分:

对于大部分单元，ABAQUS运用高斯积分方法来计算每一单元内每一个积分点处的资料响应。

可选择完好积分和减缩积分R。

ABAQUS/Standard供给了完好积分和减缩积分单元;除了修正的四周体和三角形单元外，ABAQUS/Explicit只供给了减缩积分单元三维实体:

应尽可能选择六面体单元C3D20或许二阶修正的四周体单元C3D10M。

自由度1、2、3有效

二维实体单元:

轴对称单元CAX4模拟环，合适拥有轴对称几何形状、轴对称荷

载的构造平面应变单元CPE4假定离面应变为0模拟厚构造，平面应力单元CPS4

假定离面应力为0模拟薄构造。

只有自由度1、2有效

所有的实体单元一定给予截面性质，定义了与单元有关的资料和任何附带的几何数据。

对于平面应力和应变单元，需指定单元的厚度。

单元输出变量都是参照整体笛卡尔直角坐标系的。

可为单元定义一个局部坐标系，该局部坐标系能跟着单元的运动而转动。

壳单元:

忽视沿厚度方向的应力。

经过定义单元的平面尺寸、表面法向和初始

曲率，惯例壳单元对参照面进行失散。

三角形壳单元中的S3/S3R和所有的四边形壳单元（除S4）均采纳减缩积分;S4和其余三角形壳单元采纳完好积分。

所有在explicit中的壳单元都是generalpurpose壳单元。

壳单元一定供给壳截面性质，它定义了与单元有关的厚度和资料特征。

若选择在剖析过程上当算刚度，经过

在壳厚度方向上选定点（sectionpoint）可指定奇数个点选择剖析开始时一次性计

算，能够定义横截面性质模拟线性或非线性行为。

ABAQUS以位于每个壳单元表面

上的局部资料方向定义为壳单元的输出变量。

一般性目的的壳单元general—

purpose考虑了有限的膜应变和随意大转动，同意壳厚度跟着单元的变形而改变

仅合适薄壳的单元thin—only假定小应变厚度不变仅合适厚壳thick—only假定小应变厚度不变

梁单元:

explicit中未供给三次梁单元。

能够经过指定截面的形状和尺寸定义梁截面（ABAQUS经过在横截面长进行数值积分计算横截面行为，同意资料的性质为线性和非线性），也能够经过输入数值来定义（abaqus以协力和协力矩的方式计算响应，只有在被要求时才会计算应力和应变）。

能够依据需要输出轴向力、弯矩和绕局部梁轴的曲率，参照帮助B21、B31和B22、B32同意发生剪切变形，考虑有限轴向应变，合适模拟修长梁和短粗梁。

三次梁单元同意梁发生大位移和大转动，不考虑剪切曲折并假定轴向应变较小，只合适模拟修长梁

线性和二次梁单元的派生形式（B31OS和B32OS）合适模拟薄壁张口截面梁，能正确模拟张口横截面中扭转和翘曲的影响，如工字梁，U型截面

桁架单元:

在二维和三维中有线性和二次桁架，在explicit中没有二次桁架。

输出轴向的应力和应变

质量和转动惯量单元:

质量单元mass有三个平动自由度，截面特征定义了该单元质量大小转动惯量单元rotaryi拥有三个转动自由度，定义了该单元的转动惯量，均无输出变量弹簧和减震器单元:

每个节点三个平动自由度，弹簧单元的截面

特征定义了弹簧的线性和非线性刚度，减震器单元的截面特征定义了减震器的线性

和非线性阻尼。

输卖力和相应位移完好积分:

单元拥有规则形状时，所有高斯积分

点数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精准积分。

所谓规则形状是指单元的边

是直线并且边与边订交成直角。

完好积分点的线性单元在每个方向上采纳两个积分

点，如C3D8在单元中采纳2*2*2个积分点。

二次单元则有3*3*3个积分点。

完好积分:

二次单元的边能够曲折，不存在剪力自锁问题。

剪力自锁是单元的位移场不可以模拟与曲折有关的变形惹起的。

剪力自锁仅影响受曲折荷载的完好积分线性单元的行为，在受轴向或剪切荷载时，这些单元的功能表现很好。

在复杂应力状态下，完好积分的二次单元假如发生歪曲或曲折应力有梯度时，也可能发生自锁。

减缩积分:

只有四边形和六面体单元才能采纳减缩积分;所有的楔形体、四周体和三角形实体单元只好采纳完好积分。

减缩积分单元比完好积分单元在每个方向少用一个积分点。

减缩积分的线性单元只在单元的中心有一个积分点

线性减缩单元能蒙受扭转变形，二次减缩单元可应用与大部分应力位移模拟，除大应变的大位移模拟和某些种类的接触剖析

非协调单元:

用于战胜完好积分、一阶单元中的剪力自锁问题。

一定保证单元

歪曲是特别小杂交单元:

每一种实体单元都有其相应的杂交单元，包含所有的减缩

积分和非协调模式单元。

Explicit中没有杂交单元。

当资料行为是不行压缩（泊松

比=0.5）或特别靠近不行压缩（泊松比>0.475），需要采纳杂交单元，如橡胶，因为此时单元中的压应力是不确立的。

假如资料不行压缩，此时体积在荷载作用下不可以改变，压应力不可以由节点位移计算获得实体单元选择建议:

两种求解器均合用

1.尽可能减小网格的歪曲

2.模拟网格歪曲严重的问题，应用网格细化的线性、减缩积分单元

（CAX4R,CPE4R,CPS4R,C3D8R）

3.三维问题尽可能采纳六面体单元。

若网格区分困难，应使楔形和四周体单元远离要求精准结果的地区。

4.自由剖分网格算法，用四周体单元剖分随意几何体的网格，对小位移无接触问题，二次四周体单元C3D10能得出合理结果。

C3D10M合用于standard和

explicit

中大变形和接触问题。

不可以采纳仅包含

C3D4网格，除非采纳相当细的网

格区分。

Standard

求解器

1.一般的剖析，采纳二次、减缩积分单元

CAX8R,CPE8R,CPS8R,C3D20R2存.

在应力集中的局部地区，采纳二次、完好积分单元

CAX8,CPE8,CPS8,C3D203.接

触问题，采纳细化网格的线性、减缩积分单元或非协调式单元

CAX4I,CPE4I,CPS4I,C3D8I

沙漏现象:

若变形后网格体现很不规则，则表示沙漏现象在网格中扩展。

量化

的门路是研究伪应变能artificalstrainenergy，伪应变能越高，说明过多的应

变能可能用来控制沙漏变形了。

变量ALLAE是伪应变能的能力耗散总和，ALLSE是

弹性或可恢复的应变能。

一般希望控制伪应变能和实质应变能的能量耗散比率在

5%以内。

将荷载或拘束散布在两个或更多节点上则能减少沙漏问题，细分网格总能

降低沙漏现象。

应用壳单元:

选择在剖析过程（在定义壳单元时选择）上当算刚度，采纳数值积分法，沿厚度方向的每一个截面点上独立地计算应力和应变值，这样就同意资料的非线性行为。

对性质均匀的壳单元，ABAQUS默认在厚度方向上取5个截面点，对大部分非线性设计问题就足够了。

对一些复杂的模拟，特别是当展望会出现反向的塑性曲折时，一般采纳9个截面点。

线性问题，三个截面点已经供给了沿厚度方向的精准积分。

假如选择仅在剖析开始时计算横截面刚度，资料行为一定是线弹性

的。

所有的计算结果输出为横截面上的协力和协力矩。

默服输出为壳顶面、中面和顶面的值，但需用户指定。

壳顶SPOS面，壳底SNEG面。

相邻壳单元法线方向一定一致。

壳单元的初始曲率由程序依据单元节点自动计算。

对于粗网格区分，相邻单元公用节点处各法线间

夹角在20?

以内，则计算均匀法线，使壳面光滑。

若相邻法线夹角大于20?

，则反响了折板的特征。

壳单元的节点和法线确立了壳单元的参照面，典型的参照面重

合于壳体的中面。

有时应用参照面的偏移能够更精准的模拟几何信息。

偏移量定义

为从壳的中面到壳的参表面的距离与壳体厚度的比值。

壳的自由度与其参照面相

关，在此处计算所有的动力学方程，包含计算单元的面积。

大偏移会影响面上积

分，为达到稳固目的，在EXPLICIT中，会按偏移量的平方的量级自动增大应用于

壳单元的转动惯量。

当壳一定有大偏移时，可使用多点拘束或刚体拘束来取代偏移

薄壳和厚壳选择的差别在于能否考虑横向剪切变形，判断参照:

厚度与跨度的比值》1/15时可以为是厚壳。

通用目的的壳单元和厚壳单元考虑了横向剪切应力和剪切应变，对于三维单元，供给了对于横向剪切应力的评估。

计算时忽视曲折和扭转变形之间的耦合作用，并假定资料性质和弯矩的空间梯度很小。

壳资料的方向:

每个壳体单元都使用局部资料方向。

在大位移剖析中，壳面上

的局部资料坐标轴跟着各积分点上资料的均匀运动而转动。

默认的局部1方向是整体坐标1轴在壳面上的投影（若壳面与整体1轴垂直，则局部1方向为整体3方

向），局部2方向垂直于壳面中的局部1轴，还有个壳面的正法线方向，组成右手坐标系。

对于斜板的资料方向，应采纳沿板轴向和与之垂直的方向，不然可能出现轴力和弯矩共同产生应力没法区分的问题。

选择壳单元:

1.对于需要考虑薄膜作用或含有曲折模式沙漏的问题，以及拥有平面曲折的

问题，可使用standard中的线性、有限薄膜应变、完好积分的四边形壳单元S4

2.线性、有限薄膜应变、减缩积分、四边形壳单元合用宽泛的问题

3.线性、有限薄膜应变、三角形壳单元S3或S3R可作为通用目的的壳单元使用4.复合资料层合壳模型中，为了考虑剪切变形的影响，应采纳合适模拟厚壳问题的单元S4,S4R,S3/S3R,S8R并查验平截面保持平面的假定能否知足。

5.四边形或三角形二次壳单元模拟一般小应变薄壳很有效，对剪力自锁或薄

膜自锁不敏感6.接触中不可以使用二阶三角形壳单元，而要用9节点四边形壳单元

应用梁单元:

横截面尺度一定小于构造典型轴向尺度的1/10，梁理论产生的构造是能够接受

的1.支承点之间的距离

2.横截面发生明显变化部分之间的距离

3.所关注的最高阶振型的波长

截面定义三种方法（从库中选择、随意截面中形成网格横截面、指定截面性质）

选择在剖析过程上当算梁截面特征时，经过散布在梁横截面上的一组截面点计算梁

单元的响应。

ABAQUS仅在几个选定的截面点上供给了默认的输出。

选择剖析前计

算梁截面特征时，ABAQUS不在截面点上计算梁的响应，而是运用截面的工程性质

确立截面的响应。

一定在整体坐标系中定义梁横截面的方向。

从单元的第一节点

到下一个节点的矢量被定义为沿着梁单元的局部切线t，梁的横截面垂直于这个局

部切线矢量。

n1、n2代表了局部（1-2）梁截面轴。

二维单元，n1的方向老是（0，

0，-1）;三维梁单元:

方法1:

定义单元的数据行中指定一个附带的节点，从梁单元

的第一个节点到这个附带节点的矢量v作为初始的近似n1方向。

n2方向为t*v，

n2确立后，定义实质的n1方向为n2*t.方法2:

在定义梁截面特征时，能够给定一个近似的n1方向，而后用方法1计算实质的梁截面轴。

用户供给的n2方向不用垂直于梁单元的切线t。

局部梁单元切线t将被从头定义为n1和n2的叉积。

梁截面的偏移:

设置梁节点相对于截面底部的偏移量，可用来模拟增强件，梁节点之间

采纳刚性梁的拘束连结梁和壳。

计算公式和积分:

线性单元和二次单元是考虑剪切变形的梁单元，既能够模拟

剪切变形重要的深梁，也能够模拟修长梁，横截面特征和厚壳单元特征同样。

Abaqus假定梁单元的横向剪切刚度为线弹性且在变形过程中保持不变。

横截面面

积能够作为轴向变形的函数而变化，这类变化仅在会合非线性模拟且截面的泊松比

非0时起作用。

假如梁的横截面在曲折变形时不可以保持为平面，那么梁理论就不合适模拟这类变形。

三次梁单元称为欧拉—伯努利梁单元，不可以模拟剪切变形，横截

面在变形过程中与梁的轴线保持垂直。

三次单元能够模拟单元长度方向位移的三阶

变量，对于静态剖析，一个构造构件只需要一个三次单元模拟，对于动向剖析，只

需极少量量的单元，假如横截面尺寸小于构造典型轴向尺寸的1/15，三次单元所

得结果是有效的。

扭转响应:

扭转响应依靠于横截面响应，扭转会使截面产生翘曲或非均匀的离

面位移。

Abaqus仅对三维单元考虑扭转和翘曲的影响，假定翘曲位移是小量。

对于实心截面:

abaqus应用圣维南翘曲理论在横截面上每个截面点处计算由翘

曲惹起的剪切应变重量，实心横截面的翘曲被以为是无拘束的扭转刚度取决于G和

J。

对于横截面上产生较大的非弹性变形的扭转荷载，这类方法不可以够获得精准的

模拟。

闭嘴薄壁截面:

抗扭刚度大，假定翘曲无拘束，将剪应变在壁厚方向上考虑成

一个常数，当壁厚是典型梁横截面尺寸的1/10时，一般的薄壁假定是有效的。

张口薄壁横截面:

抗扭刚度小，主要根源于对轴向翘曲应变的拘束。

拘束张口

薄壁梁的翘曲会惹起轴向应力，该应力又会影响其余种类荷载的响应。

剪切变形梁

单元中的B31OS和B32OS考虑了张口薄壁横截面中翘曲的影响。

模拟采纳张口薄壁

横截面的构造蒙受明显扭转荷载的问题时候，如管道或工字型截面，一定使用这些

单元。

翘曲函数:

翘曲的变化由截面的翘曲函数定义。

在张口截面梁单元中，采纳一

个附带的自由

度7来办理这个函数的量值。

拘束住这个自由度能够使被拘束的节点不发生翘

曲。

在构件连结点处，应使用不一样的节点，可是需要拘束住连结处自由度

1—6相

等而翘曲自由度不等。

对于剪力没有经过梁的剪切中心作用时会产生扭转。

梁单元的选择:

1.若横向剪切变形很重要，用二阶梁单元

2.在任何包含接触的模拟中，使用一阶剪切变形梁单元

3.若构造特别刚硬或许特别柔，在几何非线性模拟中，应使用杂交梁单元

B21H,B32H4.三次梁单元，模拟蒙受散布荷载作用的梁有很高的精度，比如动向

振动剖析5.模拟张口薄壁膜截面的构造采纳应用了张口膜截面翘曲理论的梁单元

B31OS,B32OS线性动向剖析

静态与动向的差别:

均衡方程中包含惯性力。

静态的内力由构造变形惹起，动

态剖析中，内力包含了运动和构造变形的共同贡献。

2特色值问题:

KΦ=λMφ，λ=w，w为系统的固有频次。

该系统拥有n个特色

值，n是有限元模型中自由度数目。

第j阶特色值对应第j阶模态的固有频次，

φj对为相应的特色向量（模态、振型），因为它是第j阶模态振动的变形形状。

振型叠加法:

经过振型组共计算构造变形，每阶模态乘以一个标量因子，乞降

确立位移矢量。

只合用于线性问题。

合用一下种类

1.系统为线性的:

线性资料，无接触条件，没有非线性几何效应

2.响应只受数目相对较少的一些频次支配。

如冲击和碰撞问题会使响应中频次成分增添3.荷载的主要频次应当在所提取的频次范围以内，保证对荷载的描绘足够精准4.特色模态应当能精准地描绘任何忽然加载所产生的初始加快度

5.系统的阻尼不可以过大

阻尼:

能够定义不一样种类的阻尼，

directmodaldamping

可精准定义每阶模态

的阻尼，取值在临界阻尼的

1%~10%之间;rayleighdamping

假定阻尼矩阵是质量和

刚度矩阵的线性组合，对大阻尼系统不行靠，即超出临界阻尼的大概10%，它也可

以精准定义系统每阶模态的瑞利阻尼;compositemodaldamping对于每种资料定

义一个临界阻尼比获得构造整体的复合阻尼值。

阻尼是针对模态动力学过程定义

的，是剖析步定义的一部分，每阶模态能够定义不一样量值的阻尼。

阻尼的选择很困难，所以需要经过参数剖析研究来评估模拟对于阻尼值的敏感性。

一阶单元既有集中质量公式，二阶单元拥有一致质量公式。

一阶单元模拟应力波的成效优于二阶单元

非线性:

资料性质也能够是温度和其余早先定义的场变量的函数，截面刚度发

生变化。

非线性问题求解经过增量的施加给定的荷载并求解。

Abaqus/standard将模拟区分为必定数目的荷载增量步，并在每个荷载增量步结束时追求近似的均衡

构件。

对每个增量步需要采纳若干次迭代才能确立一个可接受的解。

而explicit中从上一个增量步前推出动力学状态而无需进行迭代。

显示方法都需要一个小的时间增量步，它只依靠于模型的最高阶自振频次，而与荷载的种类和加载时间没关，典型的模拟需要大批增量步，但每个增量步不必求解全体方程的会合，计算成本很小。

剖析步是指剖析的步骤;增量步是每个剖析步中一部分，standad顶用户可指定

第一个增量步的大小，系统自动选择后续增量步的大小，而explicit增量步完好

是系统自选的。

显式方法是条件稳固的，对于时间增量步拥有稳固极限值。

若选择

某个增量步将计算结果输出，这个增量步称为帧frames;隐式方法求解时，迭代步

是在一个增量步中找寻均衡解答的一次尝试。

Abaqus/standard中的均衡迭代和收敛

对一个小的荷载增量P，应用鉴于初始变形u0和初始刚度K0计算位移修正当Ca，利用Ca将构造变形更新为ua，形成新的刚度Ka，计算出内力I0。

Ra=P-Ia

称为残差力。

Ra与一个允许值进行比较，若偏差较小，则接受构造的更新变形为

均衡的结果，默认的允许值为在整个时间段上作用于构造上的均匀力的0.5%。

此

外，还要检查位移修正当Ca能否相对与总的增量位移很小，若Ca大于增量位移的

1%，将进行下一次迭代。

一般来说，供给一个合理的初始增量步会有益于问题的解

决，在有在很缓和的非线性问题中，才可能将剖析步中的所有荷载施加在单调增量步中。

对一个荷载增量，假如经过16次迭代仍不可以收敛，则放弃，并将增量步的

值设置为本来值的25%，中断剖析前，系统默认同意

5次调整增量步。

若果连续两

个增量步都只需少于

5次迭代就收敛，则系统自动将增量步提升

50%。

在msg文件

中给出了自动荷载增量算法的详尽内容。

用户指定初始时间增量和剖析步总时间，

由此计算初始荷载施加比率。

假如因为收敛问题惹起了增量值的过分减小，低于最

低值，就会中断剖析。

默认的最小值为剖析步总时间

*e-5。

对于局部方向:

对壳、梁和桁架单元，局部的资料方向老是跟着变形而转动

;对

实体单元，仅当单元中供给了非默认的局部资料方向时，局部资料的方向才跟着变

形而转动;不然，默认的局部资料方向在整个剖析中将一直保持不变。

而定义在节

点上的局部方向在整个剖析中保持不变，不随变形而转动。

参照

:

transformed

coordinationsystem

一旦一个剖析步中包含了几何非线性，则在所有的后继剖析

步中都会考虑几何非线性。

在考虑几何非线性过程中，不单考虑了大变形，还考虑了施加荷载惹起的单元刚度计算项，称为荷载刚度，这改良了收敛性行为。

在对横向荷载的响应中，在壳中的薄膜荷载一级在缆索和梁中的轴向荷载，都会对这些

构造的刚度作出很大的贡献。

在横向荷载的响应中也考虑了薄膜刚度。

显式非线性动向剖析:

显式方法只需要很小的时间增量步，仅依靠于模型的最

高固有频次，而与荷载的种类和连续的时间没关。

合适问题种类:

高速动力学，复杂接触，复杂后屈曲，高速非线性准静态，材

料退化和无效显式方法最明显的特色是没有在隐式方法中所需要的整体切线刚度矩阵，不需要迭代和收敛准则。

显式方法的条件稳固性:

鉴于增量步开始时辰t的模型状态，经过时间增量Δt

前推到目前时辰的模型状态。

这个使状态能够前腿并还能保持对问题的精准描绘的时间特别短。

假如时间增量大于这个最大的时间步长，则时间增量已高出了稳固性

限制，可能致使数值不稳固，不收敛。

Ab