ABAQUS学习笔记2

2017-03-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

一.AQUS-.inp编码介绍
(一).ABAQUS头信息文件段(1-4)
1.*PREPRINT 输出求解过程所要求的信息(在dat文件中)
ie:*PREPRINT, ECHO=YES, HISTORY=YES, MODEL=YES
2.*HEADING 标题输出文件(出现在POST/VIEW窗口中,且出现在结果输出文件中)
ie:*HEADING
STRESS ANALYSIS FOR A PLATE WITH A HOLE
3.*RESTART 要求abaqus/standard输出其POST/view模块所需要的.res文件。其中的FREQ=?控制结果在每次迭代(或载荷步)输出的次数。
ie:*RESTART, WRITE, FREQ=1
4.*FILE FORMAT 要求abaqus/standard输出到.fil中的某些信息。它也用于post。对于在后处理中得到x-y形式的诸如应力-时间、应力-应变图有用!
ie: *FILE FORMAT, ZERO INCREMENT
(二).ABAQUS网格生成段
定义结点、单元,常用的命令有:结点定义(*NODE,*NGEN),单元定义(*ELEMENT,*ELGEN等)。
1.*NODE 定义结点,其格式为:
*NODE
结点号,x轴坐标,y轴坐标,(z轴坐标)
2.*NGEN 在已有结点的基础上进行多个结点的生成,一般是在两结点间以某种方式(直线、圆)产生一定分布规律的结点。
如:*NGEN, LINE=C, NSET=HOLE,
119, 1919, 100, 101 在两结点(结点号为119,1919)间以圆弧形式生成多个结点,100为任意相邻结点的单元号增量,101为圆弧形成时圆心位置的结点(对于直线形式生成没有此结点)。所有这些生成的结点(包括119,1919)被命名成HOLE的集合(这样做的目的是以后的命令中使用到它,比如说对这些结点施加同等条件的边界条件或载荷等,HOLE就是这些结点的代称)。*NGEN使用的前提就是必须存在已有结点。
*NGEN, NSET=OUTER
131, 1031, 100 以线形式形成结点,结点号增量100,结点集合名为OUTER。
*NGEN, NSET=OUTER
1031, 1931, 100 同上生成结点,可以同上结点集合名,这样OUTER就包括这两次生成的所有结点
3.*NFILL 在如上生成的结点集(实际上,代表两条几何意义上的边界线)之间按一定规律(BIAS=?)填充结点。这样所有生成的结点构成一定形状的实体(面)。
如:*NFILL, NSET=PLATE, BIAS=0.8
HOLE, OUTER, 12, 1 以HOLE为第一条边界,OUTER为第二条边界(终止边),以从疏到密的规律(BIAS小于1)分布,其生成结点数在两内外对应结点间为12,1为每组结点号的增量。所有这些结点被置于PLATE的集合中。
下面以上面生成的结点来生成单元:
4.*ELEMENT
定义单元所使用的类型(TYPE=?),然后另行定义通过联结结点形成单元,其结点数目依靠单元类型而变。
*ELEMENT, TYPE=CPS4 //采用四单元的平面应力单元
19, 119, 120, 220, 219 //定义顺序:单元号,以逆时针方向形成单元的各结点号

(三)ABAQUS单元

注意:分析前要选择合适的元素,这时要考虑的问题就是:使用什么样类型的单元?有限元的基本思路就是将实际中的连续体离散化,实际结果是将众多离散分析结果的集合,这似乎有点像积分的概念。选择元素种类最重要考虑的是分析必要的现象,满足必要的准确度基础上去掉不必要的细节与准确度。是选择1-D, 2-D or 3-D单元、用于何种分析的单元、是否高阶单元等。
(四)ABAQUS材料
ABAQUS本身提供了丰富的材料库供分析使用,并已能满足常用的分析。但对于新型本构关系的材料abaqus本身是无法体现的,UMAT则为这个问题提供了解决。自己编程将材料的应力应变本构表示出来,ABAQUS调用完成分析。
ABAQUS 的材料行为模式主要分为
弹性材料:
 Linear elasticity (线弹性)
 No compression or tension elasticity (无压缩或位伸弹性材料,即单力性材料)
 Plane stress orthotropic failure (平面应力单元)
 Porous elasticity (多孔弹性)
 Hypoelasticity (亚弹性)
 Hyperelasticity (超弹性)
 Foam elasticity (泡沫单元)
 Viscoelasticity (粘弹性)
非弹性材料
 Classical metal plasticity (塑性)
 Metals subjected to cyclic loading (受周期荷载金属单元)
 Rate-dependent yield(率相关屈服单元)
 Creep and Swelling (蠕变)
 Anisotropic yield and creep (各向异性)
 Porous metal plasticity (多孔塑性)
 Deformation plasticity (塑变单元)
 Granular materials or polymers (粒状材料或复合材料)
 Clay plasticity (粘土塑性)
 Crushable foam plasticity (可压泡沫塑性)
 Jointed material (?……)
 Concrete (混凝土)
(五)ABAQUS求解
对于一个inp文件,不进入CAE时,需要这样做:
1. 检查inp文件的正确性(当然主要是指keyword的使用),自己能做检查最好,否则可以通过:ABAQUS datacheck job=yourjobname
2. 检查确认修正后进行计算:
通过:ABAQUS job=yourjobname
3. 检验分析结果的合理性:不只是会算,更要会对分析结果进行确认。首先要对整个分析及分析的并键之处成竹在心。然后可以通过以下途径作结果确认:
①自已能够得到的解析解
②实验数据
③其它数值解
④别人的求解结果(当然你得信任他)
⑤直觉与经验
4. 如果迭代无法收敛:需要通过.msg,.sta文件查看出错信息并做出判断(在CAE中submit分析时可以通过monitor查看),判断依据为:
①结构约束是否足够或过多
②材料数据是否正确
③单元是否适合此分析
④网格有没有过扭曲、奇异
⑤接触单元是否足够
⑥步长是否过大

二.有限元理论
(一)关于应力应变
金属的工程应力(未变形单位面积上的力)称为名义应力,与之相对应的为名义应变(每单位未变形长度的伸长)。 ----名义应力 -----名义应变
在只考虑的情况下,拉伸和压缩应变是相同的,即:
,其中l是当前长度, 是原始长度, 为真实应变或对数应变。与真实应变对应的真实应力: ,F为材料受力,A是当前面积。
在ABAQUS中必须用真实应力和真实应变定义塑性.ABAQUS需要这些值并对应地在输入文件中解释这些数据。
然而,大多数实验数据常常是用名义应力和名义应变值给出的。这时,必须应用公式将塑性材料的名义应力(变)转为真实应力(变)。
考虑塑性变形的不可压缩性,真实应力与名义应力间的关系为:
,
当前面积与原始面积的关系为:

将A的定义代入到真实应力的定义式中,得到:

其中也可以写为。
这样就给出了真实应力和名义应力、名义应变之间的关系:

真实应变和名义应变间的关系很少用到,名义应变推导如下:

上式各加1,然后求自然对数,就得到了二者的关系:

ABAQUS中的*PLASTIC选项定义了大部分金属的后屈服特性。ABAQUS用连接给定数据点的一系列直线来逼近材料光滑的应力-应变曲线。可以用任意多的数据点来逼近实际的材料性质;所以,有可能非常逼真地模拟材料的真实性质。在*PLASTIC选项中的数据将材料的真实屈服应力定义为真实塑性应变的函数。选项的第一个数据定义材料的初始屈服应力,因此,塑性应变值应该为零。
在用来定义塑性性能的材料实验数据中,提供的应变不仅包含材料的塑性应变,而是包括材料的总体应变。所以必须将总体应变分解为弹性和塑性应变分量。弹性应变等于真实应力与杨氏模量的比值,从总体应变中减去弹性应变,就得到了塑性应变,其关系为:

其中是真实塑性应变, 是总体真实应变, 是真实弹性应变。

总体应变分解为弹性与塑性应变分量
实验数据转换为ABAQUS输入数据的示例
下图中的应力应变曲线可以作为一个例子,用来示范如何将定义材料塑性特性的实验特性的实验数据转换为ABAQUS适用的输入格式。名义应力-应变曲线上的6个点将成为*PLASTIC选项中的数据。
第一步是用公式将名义应力和名义应变转化为真实应力和应变。一旦得到这些值,就可以用公式不确定与屈服应力相关联的塑性应变。下面给出转换后的数据。在小应变时,真实应变和名义应变间的差别很小,而在大应变时,二者间的就会有明显的差别;因此,如果模拟的应变比较大,就一定要向abaqus提供正确的应力-应变数据。定义这种材料的输入数据格式在图中给出。

(二). 对于受力的大小,受力的方式,还有本构方程参数的选择对于模型是否收敛影响很大.
泊松比的影响:材料的泊松比的大小对于网格的扰动影响很大,在foam中,由于其泊松比是0,所以它对于单元的扰动不是很大。所以在考虑到经常出现单元节点被翻转过来的现象,可以调整泊松比的大小。
REMESH:对于creep的,特别是材料呈现非线性的状态下,变形很大,就有必要对其进行重新划分网格,用map solution来对其旧网格进行映射。这就要决定何时进行重新划分网格,这个就要看应变的增长幅度了,通过观察网格外形的变化曲线来决定是否要进行重新划分区域。
接触表面的remesh时,网格类型,单元数目等必须和原有的mesh保持一致,这个对于contact的计算十分重要。但是对于刚体表面的remesh没有这个必要的,单元数目可以减少,网格可以粗化,但是对于非刚体,一般将网格进行细化。
对于NIGEOM(非线性):
the load must be applied gradually. We apply the load gradually by dividing the step into increments。
Omit this parameter or set NLGEOM=NO to perform a geometrically linear analysis during the current step. Include this parameter or set NLGEOM=YES to indicate that geometric nonlinearity should be accounted for during the step (stress analysis and fully coupled thermal-stress analysis only). Once the NLGEOM option has been switched on, it will be active during all subsequent steps in the analysis.
几何非线性是与分析过程中模型的几何改变想联系的,几何非线性发生在位移的大小影响到了结构响应的情况,可能由于是大绕度后者是转动;突然的翻转;初应力或载荷硬化。
塑性分析中的注意问题:对于大应变,真实应变和名义应变之间的差值就会很大,所以在给abaqus提供应力-应变数据时,一定要注意正确的给予赋值,在小应变的情况下,真实应变和名义应变之间的差别很小,不是很重要。
对于单元的选择:在ABAQUS中存在一类杂交的单元族,还有一类缩减的单元存在,这些用于模拟超弹性材料的完全不可压缩特性的。但是线性减缩积分单元由于存在所谓的沙漏(hourglass)的数值问题而过于柔软,所以似使得网格容易被扭曲,因而在小冲孔的蠕变模拟中会出现error,因此最好选用其它的单元做分析,当然也可以加hourglass进行补充。数学描述和积分类型对实体单元的准确性都能产生显著的影响。
对于大应变的扭曲的模拟(大变形分析)最好选用细网格划分的线性减缩积分单元(CAX4R,CPE4R,CPS4R,C3D8R等)。
对于接触问题,采用线性减缩积分单元或者非协调单元,在模型中选用非协调单元可以使得网格的扭曲减小到最小。
单元性质:*solid section对于三维和轴对称单元不需要附加任何几何信息的,节点的坐标已经能够完整的定义单元的几何形状。而平面应力和平面应变单元则必须在数据行指定单元的厚度。
数值奇异性:在没有边界的时候,在模型上因为有限的计算精度,讲存在很小的非平衡力,如果模型应用于经理模型而没有边界条件(只有作用力),这个非平衡力就会引起模型发生无限的刚体运动。这个刚体的运动在数学上被称为数值的奇异性。当abaqus在模拟时检验出数值奇异性的时候,会将节点等问题信息打出来。一般模拟结果有奇异性时不可信的,必须要加约束。
后处理:对于一些输出的类型的转化,含义具体可以见CAE26-10
其实对于应力,还有V值的大小的变化,主要还是调起始的时间的步长,这个其实步长可能要取到1e-20,杨镇的曲线,他的起始步长就需要很小的(我用了0.00000000000001),但是不加损伤,后来步长增加很快的,没有什么东西了

三、CAE之点滴
1. 在建模作基面(草绘)时,Approximate size的大小对方便地进行平面绘图很有意义。一般取欲画尺寸的125%。
2. 当草绘时,作任一平面图形(一般是闭合的)其边界可以从任意地方开始,但好的起点终点对以后分网很有用处,一般地,起点、终点取习惯上的顶点、圆弧零度位置等特殊位置处,这样网格质量较高。
3. ABAQUS/CAE建模思想与proe等专业CAD软件相似,都是特征建模,即:通过平面产生的基面以拉伸、旋转、扫掠等生成体。
4. 作为feature的一种,草绘中对某些关键形状标以尺寸对以后方便的对part进行修改很有用。
5. 建模过程中,合理有效的用好基准Datum(面、轴、点)对建立复杂的part有用!
6. Part可进行copy,copy的结果是将原part的所有特性(此前已指定)全部继承下来,可以通过delete其中的一些feature来形成新的part,在delete时,某一feature如果前后相关,则与之相关的都将被delete(如:在基准面内做的feature,则删除基准时此feature也被删除),一旦delete将不能恢复,但如果只是想暂时“不见它”,可以从tool中suppress它。
7. 关于坐标系的问题:在part模块中使用的都是局部坐标系,而模型需要在assembly模块中进行全局定位(此中为整体坐标系)。(这对于只有一个part的模型来说没什么问题,但多个part的模型需要用constrain来进行整合),第一个进入assembly中的part的坐标系被默认为整体坐标系。
8. 刚性曲面的建立,其材料、约束等性质需要通过施加在一个刚性参考点上才能得以实现。
9. 在assembly中,为防止第二个instance在建立进在视图中与第一个相叠,通常在创建第二个时打开Auto-offset from other instances选项。

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