完整word版,abaqus有限元分析報告過程

一、有限單元法的基本原理有限單元法(TheFiniteElementMethod)簡稱有限元(FEM),它是利用電子計算機(jī)進(jìn)行的一種數(shù)值分析方法。它在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，幾乎所有的彈塑性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)問題都可用它求得滿意的數(shù)值結(jié)果。有限元方法的基本思路是：化整為零，積零為整。即應(yīng)用有限元法求解任意連續(xù)體時，應(yīng)把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元，并在每個單元上指定有限個結(jié)點(diǎn),假設(shè)一個簡單的函數(shù)(稱插值函數(shù))近似地表示其位移分布規(guī)律，再利用彈塑性理論中的變分原理或其他方法，建立單元結(jié)點(diǎn)的力和位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，從而求解結(jié)點(diǎn)的位移分量.進(jìn)而利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。由位移求出應(yīng)變，由應(yīng)變求出應(yīng)力二、ABAQUS有限元分析過程有限元分析過程可以分為以下幾個階段建模階段:建模階段是根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀和實(shí)際工況條件建立有限元分析的計算模型一一有限元模型，從而為有限元數(shù)值計算提供必要的輸入數(shù)據(jù)。有限元建模的中心任務(wù)是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。但是還是要處理許多與之相關(guān)的工作：如結(jié)構(gòu)形式處理、集合模型建立、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等。計算階段:計算階段的任務(wù)是完成有限元方法有關(guān)的數(shù)值計算。由于這一步運(yùn)算量非常大，所以這部分工作由有限元分析軟件控制并在計算機(jī)上自動完成后處理階段：它的任務(wù)是對計算輸出的結(jié)果驚醒必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對結(jié)構(gòu)性能的好壞或設(shè)計的合理性進(jìn)行評估，并作為相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化，這是驚醒結(jié)構(gòu)有限元分析的目的所在。下列的功能模塊在ABAQUS/CAE操作整個過程中常常見到，這個表簡明地描述了建立模型過程中要調(diào)用的每個功能模塊?！癙art（部件）用戶在Part模塊里生成單個部件，可以直接在ABAQUS/CAE環(huán)境下用圖形工具生成部件的幾何形狀，也可以從其它的圖形軟件輸入部件。Property（特性）截面（Section）的定義包括了部件特性或部件區(qū)域類信息，如區(qū)域的相關(guān)材料定義和橫截面形狀信息。在Property模塊中，用戶生成截面和材料定義，并把它們賦于（Assign）部件。Assembly（裝配件）所生成的部件存在于自己的坐標(biāo)系里，獨(dú)立于模型中的其它部件。用戶可使用Assembly模塊生成部件的副本（instance），并且在整體坐標(biāo)里把各部件的副本相互定位，從而生成一個裝配件。一個ABAQUS模型只包含一個裝配件。Step（分析步驟）用戶用Step模塊生成和配置分析步驟與相應(yīng)的輸出需求。分析步驟的序列提供了方便的途徑來體現(xiàn)模型中的變化（如載荷和邊界條件的變化）。在各個步驟之間，輸出需求可以改變。。Interaction（相互作用）在interaction模塊里，用戶可規(guī)定模型的各區(qū)域之間或模型的一個區(qū)域與環(huán)境之間的力學(xué)和熱學(xué)的相互作用，如兩個表面之間的接觸關(guān)系。其它的相互作用包括諸如綁定約束，方程約束和剛體約束等約束。若不在Interaction模塊里規(guī)定接觸關(guān)系，ABAQUS/CAE不會自動識別部件副本之間或一個裝配件的各區(qū)域之間的力學(xué)接觸關(guān)系。只規(guī)定兩個表面之間相互作用的類型，對于描述裝配件中兩個表面的邊界物理接近度是不夠的。相互作用還與分析步相關(guān)聯(lián)，這意味著用戶必須規(guī)定相互作用所在的分析步。。Load（載荷）在Load模塊里指定載荷，邊界條件和場。載荷與邊界條件跟分析步相關(guān)，這意味著用戶必須指定載荷和邊界條件所在的分析步。有些場變量與分析步相關(guān)，而其它場變量僅僅作用于分析的開始。對于所有單元必須確定其材料特性，然而高質(zhì)量的材料數(shù)據(jù)是很難得到的，尤其是對于一些復(fù)雜的材料模型°ABAQUS計算結(jié)果的有效性受材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度和范圍的限制。Mesh（網(wǎng)格）Mesh模塊包含了有限元網(wǎng)格的各種層次的自動生成和控制工具。從而用戶可生成符合分析需要的網(wǎng)格，Job（作業(yè)）一旦完成了模型生成任務(wù)，用戶便可用Job模塊來實(shí)現(xiàn)分析計算。用戶可用Job模塊交互式地提交作業(yè)、進(jìn)行分析并監(jiān)控其分析過程，可同時提交多個模型進(jìn)行分析并進(jìn)行監(jiān)控。Visualization（可視化）可視化模塊提供了有限元模型的圖形和分析結(jié)果的圖形。它從輸出數(shù)據(jù)中獲得模型和結(jié)果信息，用戶可通過Step模塊修改輸出需求，從而控制輸出文件的存貯信息。Sketch（繪圖）在ABAQUS/CAE中，先繪出二維的輪廓線有助于生成部件的形狀。用Skcteh模塊可直接生成平面部件，生成梁或一個子區(qū)域，也可以先生成二維輪廓線，然后用拉伸、掃掠、旋轉(zhuǎn)的方式生成三維部件。在功能模塊之間切換時，主菜單中內(nèi)容會自動更換，各輔助菜單也隨之改變。其中在各個模塊中要注意的是:在進(jìn)行有限元分析之前，首先應(yīng)對結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進(jìn)行仔細(xì)分析，只有正確掌握了分析結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾何模型?？偟膩碚f，要定義一個有限元分析問題時，應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：a.結(jié)構(gòu)類型；b.分析類型；c.分析內(nèi)容；d.計算精度要求；e.模型規(guī)模；f.計算數(shù)據(jù)的大致規(guī)律建立有限元模型是整個有限分析過程的關(guān)鍵。首先，有限元模型為計算提供所以原始數(shù)據(jù)，這些輸入數(shù)據(jù)的誤差將直接決定計算結(jié)果的精度；其次，有限元模型的形式將對計算過程產(chǎn)生很大的影響，合理的模型既能保證計算結(jié)構(gòu)的精度，又不致使計算量太大和對計算機(jī)存儲容量的要求太高；再次，由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復(fù)雜性，要建立一個符合實(shí)際的有限元模型并非易事，它要考慮的綜合因素很多，對分析人員提出了較高的要求；最后，建模所花費(fèi)的時間在整個分析過程中占有相當(dāng)大的比重，約占整個分析時間的70%，因此，把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是縮短整個分析周期的關(guān)鍵。建立有限元模型的一般過程：分析問題定義在進(jìn)行有限元分析之前，首先應(yīng)對結(jié)果的形狀、尺寸、工況條件等進(jìn)行仔細(xì)分析，只有正確掌握了分析結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾何模型。總的來說，要定義一個有限元分析問題時，應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：a.結(jié)構(gòu)類型；b.分析類型；c.分析內(nèi)容；d.計算精度要求；e.模型規(guī)模；f.計算數(shù)據(jù)的大致規(guī)律幾何模型建立幾何模型是從結(jié)構(gòu)實(shí)際形狀中抽象出來的，并不是完全照搬結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀，而是需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體特征對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化、變化和處理，以適應(yīng)有限元分析的特點(diǎn)。加載和邊界條件：加載使結(jié)構(gòu)變形和產(chǎn)生應(yīng)力。大部分加載的形式包括：■點(diǎn)載荷■表面載荷■體力，如重力■熱載荷邊界條件是約束模型的某一部分保持固定不變（零位移）或移動規(guī)定量的位稱（非零位移）。在靜態(tài)分析中需要足夠的邊界條件以防止模型在任意方向上的剛體移動；否則，在計算過程中求解器將會發(fā)生問題而使模擬過程過早結(jié)束在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后稱為離散模型，它還不是有限元模型，只有在網(wǎng)格模型上定義了所需要的各類邊界條件后，網(wǎng)格模型才能成為完整的有限元模型。劃分網(wǎng)格時注意1.單元類型選擇劃分網(wǎng)格前首先要確定采用哪種類型的單元，包括單元的形狀和階次。單元類型選擇應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的類型、形狀特征、應(yīng)力和變形特點(diǎn)、精度要求和硬件條件等因素綜合進(jìn)行考慮2、網(wǎng)格數(shù)常用單元的選用原則有限元網(wǎng)格劃分中單元類型的選用對于分析精度有著重要的影響，工程中常把平面應(yīng)變單元用于模擬厚結(jié)構(gòu)，平面應(yīng)力單元用于模擬薄結(jié)構(gòu)，膜殼單元用于包含自由空間曲面的薄壁結(jié)構(gòu)。對塊體和四邊形，可以選擇全積分或縮減積分，對線性六面體和四邊形單元，可以采用非協(xié)調(diào)模式。由于三角形單元的剛度比四變形單元略大，因此相對三節(jié)點(diǎn)三角形單元，優(yōu)先選擇四邊形四節(jié)點(diǎn)單元。如果網(wǎng)格質(zhì)量較高且不發(fā)生變形，可使用一階假定應(yīng)變四邊形或六面體單元，六面體單元優(yōu)先四面體單元和五面體鍥形單元。十節(jié)點(diǎn)四面體單元與八節(jié)點(diǎn)六面體單元具有相同的精度。網(wǎng)格較粗的情況下使用二階縮減積分四邊形或四面體單元，對于橡膠類體積不可壓縮材料使用Herrmann單元，避免體積自鎖。在完全積分單元中，當(dāng)二階單元被用于處理不可壓縮材料時，對體積自鎖非常敏感，因此應(yīng)避免模擬塑性材料，如果使用應(yīng)選用Herrmann單元。一階單元被定義為恒定體積應(yīng)變時，不存在體積自鎖。在縮減積分單元中，積分點(diǎn)少，不可壓縮約束過度，約束現(xiàn)象減輕，二階單元在應(yīng)變大于20%?40%時應(yīng)小心使用，一階單元可用于大多數(shù)應(yīng)用場合并具有自動沙漏控制功能。單元特性定義有限元單元中的每一個單元除了表現(xiàn)出一定的外部形狀外，還應(yīng)具備一組計算所需的內(nèi)部特征參數(shù)，這些參數(shù)用來定義結(jié)構(gòu)材料的性能、描述單元本身的物理特征和其他輔助幾何特征等.網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通過所劃分的網(wǎng)格形式反映出來。目前廣泛采用自動或半自動網(wǎng)格劃分方法，如在Ansys中采用的SmartSize網(wǎng)格劃分方法就是自動劃分方法。有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及其拓?fù)漕愋?、單元類型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格的密度、單元的編號以及幾何體素。從幾何表達(dá)上講，梁和桿是相同的，從物理和數(shù)值求解上講則是有區(qū)別的。同理，平面應(yīng)力和平面應(yīng)變情況設(shè)計的單元求解方程也不相同。在有限元數(shù)值求解中，單元的等效節(jié)點(diǎn)力、剛度矩陣、質(zhì)量矩陣等均用數(shù)值積分生成，連續(xù)體單元以及殼、板、梁單元的面內(nèi)均采用高斯（Gauss）積分，而殼、板、梁單元的厚度方向采用辛普生（Simpson）積分。辛普生積分點(diǎn)的間隔是一定的，沿厚度分成奇數(shù)積分點(diǎn)。由于不同單元的剛度矩陣不同，采用數(shù)值積分的求解方式不同，因此實(shí)際應(yīng)用中，一定要采用合理的單元來模擬求解。模型檢查和處理一般來說，用自動或半自動網(wǎng)格劃分方法劃分出來的網(wǎng)格模型還不能立即應(yīng)用于分析。由于結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成過程的復(fù)雜性，劃分出來的網(wǎng)格或多或少存在一些問題，如網(wǎng)格形狀較差，單元和節(jié)點(diǎn)編號順序不合理等，這些都將影響有限元計算的計算精度和計算時間網(wǎng)格數(shù)量又稱絕對網(wǎng)格密度，它通過網(wǎng)格尺寸來控制。在有限元分析中，網(wǎng)格數(shù)量的多少主要影響以下兩個因素：計算精度網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度一般會隨之提高。這是因?yàn)椋孩?網(wǎng)格邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)實(shí)際的曲線或曲面邊界；（2）.單元位移函數(shù)能夠更好的逼近結(jié)構(gòu)實(shí)際位移分布；⑶.在應(yīng)力梯度較大的部位，能夠更好地反映應(yīng)力值的變化。但是也需要提醒的是：網(wǎng)格數(shù)量太多時，計算的累積誤差反而會降低計算精度。計算規(guī)模網(wǎng)格數(shù)量增加，將主要增加以下幾個方面的時間：⑴.單元形成時間⑵.求解方程時間⑶.網(wǎng)格劃分時間網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指結(jié)構(gòu)不同部位采用不同大小的網(wǎng)格，又稱相對網(wǎng)格密度，它通過在不同位置設(shè)置不同的網(wǎng)格尺寸來控制。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場很少有均勻變化的，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)或多或少的存在不同程度的應(yīng)力集中。為了反映應(yīng)力場的局部特性和準(zhǔn)確計算最大應(yīng)力值，應(yīng)力集中區(qū)域就應(yīng)采用較多的網(wǎng)格，而對于其他的非應(yīng)力集中區(qū)域，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，則采用較稀疏的網(wǎng)格。單元階次結(jié)構(gòu)單元都具有低階和高階形式，采用高階單元的目的是為了提高計算精度，這主要考慮了以下兩點(diǎn)：1.利用高階單元的曲線或曲面邊界更好地逼近結(jié)構(gòu)的邊界曲線或曲面；2.利用高階單元的高次位移函數(shù)更好地逼近結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位移分布。但是高階單元具有較多的節(jié)點(diǎn)，使用時也應(yīng)權(quán)衡計算精度和模型規(guī)模