【转载】ABAQUS学习和开发浅谈

2016-11-16 by:CAE仿真在线来源:互联网

ABAQUS是非线性有限元分析(Nonlinear Finite Element Analysis)领域的一门重炮。

ABAQUS不仅广泛地应用于工程领域,在相关学术研究领域也颇受青睐。许多力学方面的国际著名杂志,如 IJNME(International Journal for Numerical Methods in Engineering)、CMAME(Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering)、MOM(Mechanics of Materials)、IJSS、IJP等常有以ABAQUS为平台、通过二次开发后进行数值分析模拟的文章。

ABAQUS在土木工程领域也逐渐得到了广泛的应用。ABAQUS自身具有几个典型的混凝土及土的多维本构模型,用来进行一般的工程结构非线性有限元分析表现尚可。令人鼓舞的是,我们还可以在ABAQUS的基础上进行二次开发以获得更符合实际的数值模拟结果,如基于杆系单元(B31、B32等)开发较精细的混凝土单轴滞回本构模型,针对shear-critical构件开发合适的弯剪耦合RC单元,深入探究梁柱节点非线性行为开发合适的宏观节点单元等等。更具魅力的是,我们还可以开发各种处于发展和考证中的混凝土多轴本构模型(如亚塑性、边界面、损伤&塑性、微平面等等),扩展ABAQUS的土木材料/单元库,获得更贴近事物本质的understandings。

ABAQUS的学习曲线显然要比ANSYS之类的陡峭漫长。只有不断地进行学习、理解和尝试,才能逐渐在ABAQUS及其所涉及的专业领域登堂入室。个人觉得在入门之后要提高ABAQUS的水平需要做好以下几点:

(1)经常复习张量理论和连续介质力学。ABAQUS帮助文件的许多表达式均是以张量形式书写的,若看不懂这些式子则后面的学习将难以为继。事实上,张量早已成为力学界进行交流的一种简语,ABAQUS使用张量对连续体进行客观描述也只不过是连续体FEA的题中应有之义,而熟悉连续体力学的基本原理更是深入ABAQUS的必由之路。

(2)深刻理解非线性有限元的求解策略和过程。一定要自己亲手编写一个较简单的非线性有限元程序,理解线性化(Linearization)、预测与修正(Prediction and Correction)、迭代(Iteration)等的具体涵义以及常用的非线性方程组解法的基本过程(如Newton-Raphson法、Arc Length法等)。当然也可以通过读懂一些开源的规模较小的NFEA程序(如FEAPpv、OOFEM、Drain2DX、ZeusNL)或者国外的非线性有限元教材所附带的源程序等来获得如上经验。

(3)以ABA帮助文件的例子为发轫,尽快动手编写ABAQUS的用户自定义子程序(UMAT、UEL等)。譬如在梁单元或实体单元的基础上开发简单的1维或多维理想弹塑性本构(UMAT),又譬如可尝试开发很实用的点-点非线性弹簧单元(UEL)。由简入繁,由浅入深,逐步掌握ABAQUS各种子程序的二次开发要领。在反复调试和验证的过程中,品尝开发成功的愉悦(尽管这个过程可能是相当枯燥而漫长的)。

(4)多学习一些损伤力学、断裂力学、粘弹/塑性力学等其它力学门类的知识,多了解一些别的数值计算方法(如离散元、无网格法、边界元、XFEM等等),多阅读一些高水平的英文论文,知道人家在做些什么。

(5)在钻进去的同时也要跳得出来。非线性分析的本质不过是对瞬息万变的复杂自然现象的一种人为逼近。从一些基本的原理、体验入手,或许能顿悟。

个人推荐的几本Basic学习书籍:

①. Owen的 " Finite Elements in Plasticity: Theory and Practice (1980) “ 和 " Computational Methods for Plasticity: Theory and Applications (2008) ";

②. Belytschko的 " Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures (2000) ";

③. Zienkiewicz 、Taylor的 " The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics, Sixth Edition (2005)";

④. Crisfield的 " Non-Linear Finite Element Analysis of Solids and Structures (Vol. 1 and 2) (1991, 1997)";

⑤. Bonet的 " Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis (2008)";

⑥. 范镜泓、高芝晖的 " 非线性连续介质力学基础 (1987) ".

写到这里,想起⑤书的开场白,那是英国诗人Pope在 " An Essay on Criticism " 的一段fragment:

"A little learning is a dangerous thing;
Drink deep, or taste not the Pierian spring:
There shallow Draughts intoxicate the Brain,
And drinking largely sobers us again."

粗略翻译如下:

"一知半解贻害不浅;
神泉之水啊,君若无意酣饮,还请勿去小啜。
倘若浅尝辄止,只会如坠迷雾,
唯有开怀畅饮,终能如入臻境。”

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才