abaqus介绍 - 带小例子

ABAQUS 入门教程

1. 什么是有限元

对于连续的实体，或者流体，如果形状，边界条件较复杂，是不能得到位

移或者应力应变的解析解的，因此提出了利用有限个单元（Finite Element）的集合来离散（Discretize）表示结构的实际几何形状，如下图，该实体由六面体单元和四面体单元(Element)组成，每一个单元代表这个实际结构的一个离散部分。单元由节点构成，单元和单元之间通过共有的节点（Node）连接。节点与单元的集合称为网格（Mesh）。在一个特定网格中的单元数目称为网格密度（Mesh Density），可以很轻易地得到网格密度是和计算精度密切相关的，但是过密的网格会导致庞大的计算量，因此需要根据情况合理确定网格尺寸。

各种单元类型，

不同的单元类型适用于不同的情况。

有限元求解方法：

隐式方法(Implicit) 由胡克定理得： F??Kx

其中F代表力矩阵，K为刚度矩阵，由每个单元的局部刚度矩阵结合得到，x为位移矩阵，代表每个节点的各个方向的位移。隐式方法主要就是求解该方程。位移法步骤如下：

1. 结构离散

2. 单元分析，形成单元刚度矩阵

3. 结构分析，形成总刚度矩阵（包含所有单元刚度矩阵） 4. 约束处理

5. 求解线性方程组，求得节点位移（求得所有节点的位移） 6. 根据节点位移求出各个单元的内力和应变 如下图所示，桁架及其离散化模型：

显示方法（explicit）

显示方法与隐式方法不同，例如应用在ABAQUS/Explicit中的显示方法，并不需要求解一套方程组或计算整体刚度矩阵。求解式通过动态方法从一个增量步前推到下一个增量步得到的，简单来说，就是假设有一个炸弹爆炸的过程，将该过程分成很多个时间增量步，从初始炸弹只有一个点开始，根据增量步一步步递推计算炸弹的冲击波膨胀的过程。

ABAQUS/Explicit适用于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是模拟短暂、瞬时的动态时间，如冲击和爆炸问题。

2. Abaqus简介

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有惊人的广泛的模拟能力。它拥有大量不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等。可以进行结构的静态与动态分析，如：应力、变形、振动、冲击、热传递与对流、质量扩散、声波、力电耦合分析等；它具有丰富的单元模型，如杆、梁、钢架、板壳、实体、无限体元等；可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、聚合物、复

合材料、塑料、钢筋混凝土、弹性泡沫，岩石与土壤等。

对于多部件问题，可以通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将它们组合成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性问题，用户仅需要提供结构的几何形状、材料性能、边界条件、荷载工况等工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛准则，它不仅能自动选择这些参数的值，而且在分析过程中也能不断调整这些参数值，以确保获得精确的解答。用户几乎不必去定义任何参数就能控制问题的数值求解过程。

Abaqus包括三个主要的分析模块：ABAQUS/Standard(通用求解器，隐式求解)，ABAQUS/Explicit（显式），以及ABAQUS/CFD（流体），分析模块的选择是通过定义不同种类的step（分析步）实现，这些模块求解通常是在后台进行的。 而我们常常看到的abaqus界面是ABAQUS/CAE(Computer Aided Engineering)，ABAQUS/CAE将各种功能模块（module）集成在一个窗口内，通过ABAQUS/CAE可以方便地实现整个分析过程。

模块切换

ABAQUS/CAE只是一个GUI界面，因此我们也可以通过python程序直接调用各种模块，而不用打开ABAQUS/CAE界面进行求解计算。 Abaqus求解流程

一个完整的ABAQUS/Standard(隐式求解)或ABAQUS/Explicit分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、分析计算和后处理。

使用ABAQUS/CAE一般步骤如下：

2.1 前处理

前处理即输入，定义所求物理问题的模型，输入所有已知信息，如几何形状，单元类型和尺寸，网格类型等，以及材料属性，载荷，边界

条件，相互作用，环境属性（如温度，电磁场）等。 1. Part模块：创建几何体 2. Property模块：定义材料属性

3. Assembly模块：将几何体生成实体（instance），并装配 4. Step模块：创建分析步（step），选择何种求解方式

5. Interaction模块：创建相互作用（比如不同部件接触，部件位移

耦合，力耦合等）

6. load模块：定义载荷（load）和边界（boundary）条件 7. Mesh模块：确定单元类型和尺寸，确定网格类型（mesh），划分网

格

所有的步骤完成后，ABAQUS/CAE中的Job模块WriteInput会生成一个ABAQUS输入文件，该文件为inp格式（input的缩写），这个inp文件中包含了模型的所有信息，并以一种通用的格式存储，因此这个inp文件对其它的有限元也是同样适用的，同理其他有限元软件生成的inp文件也可以提交给abaqus计算（可能会出现兼容性问题）。 2.2 分析计算

8. Job模块

即将我们要解决的问题提交给abaqus进行计算，这一步通过Job模块的实现，从前处理得到inp文件后，abaqus将该文件提交给abaqus内核进行计算，使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式运行； 2.3 后处理

9. visualization模块

后处理即我们得到了计算结果，该结果存储在一个odb格式的文件中，abaqus提供了visualization模块，用于结果的可视化处理，我们可以通过visualization模块得到变形后的形状，或者冲击的动画，或者某个变量变化的曲线。同时我们也可以通过其他的后处理软件来处理我们的结果。

3. 简单的算例

一个简单的矩形截面梁计算。

Abaqus计算时是没有单位的，因此输入的数值必须保证单位的一致性：

3.1启动abaqus

通过开始菜单，或者快捷方式打开abaqus，如果不能打开，则需要重新启动abaqus证书。如下，

3.2新建分析模型

打开abaqus，已经默认生成一个新的空白模型，可以直接进行操作，或者新建模型或导入模型，必须保证至少有一个模型（model）。

选择模型的类别，有‘标准’及‘显式’，‘计算流体力学’，‘电磁场’

或者导入模型，如下图：

可以导入不同软件生成的模型，abaqus的模型保存为cae格式

3.2.1新建部件几何体

使用默认的空白模型，选择part模块，点击CreatPart

弹出creatpart对话框，设置如图，然后continue。

Name是部件的名称；

Modeling space是要生成的几何体的类型，是 3维立体，2维平面图形，或者轴对称，根据不同的简化需要来确定，比如一个轴，就可以选择轴对称，然后只需要画出旋转的界面就可以，而不用整个3维建模

Type 分为可变形的，离散刚体，解析刚体等，其中在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫做刚体(Rigid body)，通常需要定义一个参考点，这个点的运动就可代表整个刚体的运动。

对于形状简单得刚体部件来说，解析刚体可以比较准确得模拟零部件得几何形状，可以减小计算代价；刚体零部件得几何形状比较复杂时，就需要使用离散刚体了。离散刚体通常用于接触分析中，类似与可变形体，可以模拟任何形状的物体

Shape定义该几何体是什么形状，实体，壳，线，点，注意的是space不同，同样的形状得到的形状性质不同，比如3维的点自由度比2维的点自由度多一个。

Type定义该部件是通过何种方式生成，几何拉伸，旋转，扫掠。比如长方体就通过拉伸长方体的一个面得到。

Approximat size 部件近似大小，通过该尺寸生成合适大小的画布

得到一张画布，在画布的左边有各种工具用来画各种图形，同时还有各种修改和约束工具。 通过滑动鼠标中键，可以放大缩小画面，同时按住ctrl和shift，再按住鼠标中键，可以移动画面。

前面我们选择了拉伸来生成长方体，因此在这个二维的画布上，需要画出拉伸的截面，点击矩形，然后窗口最下方的输入矩形的两个对角点，（100，-10），按enter确认，输入（-100，10）enter确认。如果画错了，可以通过得删除，或者

撤销；

矩形画好后，确认矩形正确，按ESC键，发现下方信息栏出现，如果此时确认截面ok，点击Done，或者点击鼠标中键确认。

弹出拉伸属性对话框，这是因为我们新建part的时候，选择的type是extrusion：设置如图，拉伸30mm，确认。

depth：这个截面拉伸的长度， options：扭转 矩形梁如图：按住ctrl+shift，然后按住鼠标左键，可以旋转视角。

保存模型：保存为默认的cae格式，要养成经常保存的习惯。

3.2.2设置材料属性

至此几何体建立完成，在Module列表中，选择Property模块。点击creat material按钮，如图

create material 表示新建一个材料属性，当一个模型中包含不同材料时，需要定义多个材料属性，同时通过create material旁边的material manager进行管理。

弹出edit material对话框，选择定义材料的弹性属性。

可以看到，在edit material对话框中，材料可以定义弹性，塑形，失效形式，粘性等属性，

在前一个选项general中还可以定义材料的密度等属性。

本算例中不考虑体力，所以没有设置密度。

材料特性设置如下图，弹性模量210000Mpa，注意和mm对应的是Mpa，泊松比0.3，名称为steel。点击Ok确认。

Elastic选项卡中

Type，选择各向同性

定义截面，点击creat section按钮，弹出创建材料截面对话框，设置如图，点击continue

和材料属性一样，同一个模型可以定义多个截面属性，并通过section manager来管理。矩形量是3维的梁，因此选择实体，类型选择均匀。

弹出Edit section对话框，在material选项中自动选择了上一步定义的材料属性steel，ok确认。如果所建的模型是2维的板，还需要定义厚度。

点击assign section 按钮

在下方的信息栏出现：（选择需要赋予截面的区域）

在窗口中点击我们所建的长方体，红色表示选中，然后点击Done，或者单击鼠标中键。 Creat set选项勾选表示，系统自动对我们所选择的区域建一个集合，并命名为Set-1；

弹出 Edit Section Assignment对话框，上一步我们选择了需要赋予截面的区域，这个对话框选择对该区域赋予的截面属性，即我们创建的截面Section-1.然后确认。如果section列表为

空，没有选择，很可能是上一步所创建的截面属性不能赋予给当前区域，需要修改界面属性。

成功赋予截面后的part是绿色。

3.2.3装配

至此几何体建立完成，在Module列表中，选择Assembly模块。

点击creat Instance（生成实体），弹出create instance对话框，设置如图：

creat instance from： 从刚才创建的parts中生成实体，在列表中选择部件。一个模型中只包含一个装配件，它可以由一个或多个部件实体组成，同时一个部件也可以生成多个实体，部件实体是部件在装配件中的映射。部件修改，部件实体也会自动更新 从已有的模型中导入

Instance可以减少重复建模。 instance type：

非独立实体，多个部件实体对应同一个部件时，只需对部件划分一次网格即可。

独立实体，是对应部件的一个复制，划分网格时可以同时显示多个相邻的部件实体，便于设定网格密度。

3.2.3设置分析步

在Module列表中，选择step模块

点击 creat step ，弹出creat step对话框，设置如图。

Name:新建的分析步名称 Insert new step after：

系统会自动创建一个分析步（Initial step），可以在其中施加边界条件，用户必须自己创建后续的分析步，用来施加载荷，当有多个分析步时，需要考虑分析步的顺序。

通过选择分析步的类型，来选择显式或者隐式求解，确定该分析是静态还是动态过程等。

弹出Edit step对话框，设置如下，

time period：选择的分析步是静态分析步，时间默认。

NIgeom：非线性开关，在分析过程中存在大位移非线性影响时，必须打开。

General static默认关闭

3.2.3设置载荷和边界条件

在Module列表中，选择load模块

1. 施加约束，在悬臂梁的左侧固支。设置如图，continue

注意边界条件施加的载荷步，一般将边界条件施加在系统自动生成的initial step上。 在约束类型中，

第一行是对称，反对称，端部固定

第二行，是位移和角度边界条件

在下方信息栏出现：

选择左端需要固定的面：（若不能选到，同时按住ctrl+shift，再安装左键旋转视图）选中的面成红色。单击Done，或者单击鼠标中键确认。

编辑所选的面的边界条件，选择端部固定，如图，确认，边界条件施加如图。

2. 施加载荷，点击creat Load ，

弹出 Creat load窗口，设置如图，pressure是施加在面上的，因此要选择一个面，continue

在下方的信息栏出现：（选择施加压力的面）

选中梁的上表面，选中为红色，（若不能选到，同时按住ctrl+shift，再按住左键旋转视图），中键滑动放大缩小，同时按住ctrl+shift，再按住中键，可以平移视图。单击Done，或者单击鼠标中键确认。

弹出edit load对话框，编辑载荷大小如图：

distribution：压力的分布情况，均布或者其他分布 Magnitude：压力的大小，注意该处的单位必须统一，为Mpa

Amplitude：载荷的幅值，若需要加载变载荷，需定义此项，是一个最大幅值为1相对于时间的曲线，可以通过解析或者列表等方式建立。

压力加载如图：

3.2.3划分网格

在Module列表中，选择mesh模块

1.设置单元类型，点击

，出现对话框

这是因为，在前面Assembly步，我们选择了Dependent instance，因此不能对整个Assembly划分网格，因此需要单独对part划分网格，在视窗的上方将Assembly改为part。

可以看到模型变为绿色，表示该part可以使用结构化网格划分。结构化网格只包含四边形或者六面体，非结构化网格是三角形和四面体。 设置单元类型，点击

，在下方信息栏出现：（选择需要划网格的part）

选择梁：选中后变红。单击Done，或者单击鼠标中键确认。

选择单元类型C3D8R，Hex表示六面体单元，Wedge是楔形单元，Tet表示四面体单元，可以看到单元有显式单元库和通用单元库。

单元类型设置后，需要设置单元尺寸：点击

设置全局单元尺寸，

设置局部边，弹出对

上的单元尺寸，因为六面体单元越接近正方体越好，因此设置全局单元尺寸话框

单元尺寸设置为2，其余默认。

3. 设置网格类型（不是单元类型）点击，

自动选择为六面体，结构化网格，

structured结构化网格只有六面体和四边形，质量最好

sweep扫掠通常适用于圆柱类几何体

bottom-up相当于在厚度方向，每一层划分的网格都和其他层一样，

free，自由网格，用于较复杂的模型网格划分。

4. 划分网格，点击

，选择yes，或者中键确认。

生成网格如图，都是正六面体。

3.2.4 求解计算

在Module列表中，选择job模块 点击creatjob

，选择需要生成job的模型：Model-1，continue。

设置保持默认，确认。

点击job manager

，弹出对话框，点击提交按钮，submit

注意最下方的各种提示信息，如果出现错误，要修改后在提交。

此时，Job-1的状态变为completed，点击result按钮，可以直接跳转到visualization模块，进行后处理。

跳转到visualization模块后，显示的是未变形的状态，

点击

，查看变形后的mises应力云图：大致的观察，变形结果是否符合预期

在红圈所示处，改变视图中所显示的变量，比如现在输出的是位移U，2方向的位移U2，也就是Y方向的位移。

或者显示应变E33：

点击

（query）查询按钮，弹出对话框，单击probe values，弹出对话框

Prob values对话框中，移动鼠标到需要查询的单元，不需要点击，即可显示查得的数据。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vldd.html