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神瑛侍者的博客

 
 
 

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石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结  

2009-11-18 16:01:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第五章 接触分析实例
[46] (pp126) 非线性问题分为三种类型:
(1)材料非线性,即材料的应力应变关系为非线性,如弹塑性问题。
(2)几何非线性,即位移的大小对结构的响应发生影响,包括大位移、大转动、初始应力、几何港
性化和突然翻转(snap through)等问题。
(3)边界条件非线性,即边界条件在分析过程中发生变化,如接触问题。
[47] (pp128) 解析刚体截面的图形中只能包含线段、小于180º的弧和抛物线。
[48] (pp129) 对于解析性刚体部件,不需要为其划分网格和设置单元类型,也不需在Property 功能
模块中为其指定材料和截面属性。
[49] (pp129) 在接触分析中,如果在第一个分析步就把全部载荷施加到模型上,有可能分析无法收敛。
建议先定义一个只有很小载荷的分析步,让接触关系平稳地建立起来,然后在下一个分析步中再
施加真实的载荷。
[50] (pp132) 在后处理中,CPRESS 和COPEN 都显示在从面上。
[51] (pp133) 如果法线方向错误,接触分析就无法得到正确的结果。因此当接触分析出现收敛问题时,
可以查看接触面的法线方向是否正确。
[52] (pp136) 在ABAQUS/Standard 中可以通过定义接触面或接触单元来模拟接触问题。接触面分为
三类:(a)由单元构成的柔体接触面或刚体接触面;(b)由节点构成的接触面;(c)解析刚体接触面。
在ABAQUS/Explicit 提供两种算法来模拟接触问题。(a)通用接触算法;(b)接触对算法。提示:
目前的6.8 版本中,ABAQUS/Standard 也具有通用接触算法。
[53] (pp136)在ABAQUS/Standard 模拟接触过程中,接触方向总是主面的法线方向,从面上的节点不
会穿越主面,但主面上的节点可以穿越从面。定义主面和从面的一般规则为:
(1)选取刚度大的面作为主面。这里的“刚度”指材料特性和结构刚度。解析面或由刚性单元构成
的面必须作为主面,从面则必须是柔体上的面(可以是施加了刚性约束的柔体)。
(2)若两接触面刚度相似,则选取粗糙网格的面作为主面。
(3)如果能使两接触面的网格节点位置一一对应,则能使结果更精确。
(4)主面必须是连续的,由节点构成的面不能作为主面。如果是有限滑移,主面在发生接触的部位
必须是光滑的,即不能有尖角。
(5)若主面在发生接触的部位存在尖锐的凹角或凸角,应该在此尖角处把主面分为两部分来分别定
义,即定义为两个面。对于有单元构成的主面,ABAQUS 会自动进行平滑处理。
(6)若是有限滑移,则在整个分析过程中,都尽量不要让从面节点落到主面之外(尤其不要落在主
面的背面),否则容易出现收敛问题。
(7)一对接触面的法线方向应该相反。一般来说,对于三维柔性实体,ABAQUS 会自动选择正确的
法线方向,而在使用梁单元、壳单元、膜单元、绗架单元或刚体单元来定义接触面时,用户往往
需要自己制订法线方向,就容易出现错误。
[54] (pp138) 小滑移也可用于几何非线性问题,并考虑主面的大转动和大变形,更新接触力的传递路
径。小滑移有两种算法:点对面和面对面。后者的应力计算结果精度较高,并且可以考虑板壳

和膜的初始厚度,但有些情况下代价较大。
[54] (pp139) 小滑移问题的接触压强总是根据未变形时的接触面积来计算的,有限滑移问题的接触压
强则是根据变化的接触面积来计算。
[55] (pp139) 设定接触面之间的距离或过盈量有三种方法:
( 1 ) 根据模型的几何尺寸位置和ADJUST 参数 进入Interaction 模块, 点击主菜单
Interaction→Create,在Edit Interaction 对话框中选中Specify tolerance for adjustment
zone,在其后输入位置误差限度值。
( 2 ) 使用关键词*CONTACT INTERFERENCE 进 入 Interaction 模块, 点击主菜单
Interaction→Create,点击Edit Interaction 对话框底部的Interference fit。
提示:这种方法类似于施加载荷,不能在initial 分析步中定义,而只能在后续分析步中定义,并
且可以在分析步中改变大小、被激活或被去除。用户需要自己定义一条幅值曲线使之在整个分析
步中从0 逐渐增大到1。位置误差限度必须略大于两接触面间的缝隙。
(3)使用关键词*CLEARENCE 它只适用于小滑移,并且不需要ADJUST 参数来调整从面节点的位
置。ABAQUS/CAE 不支持此关键词,只能手工修改INP 文件。
提示:如果过盈接触是通过节点坐标或*CLEARENCE 来定义的,在分析的一开始全部过盈量就
会被施加在模型上,而且无法在分析过程中改变过盈量的大小。
[56] (pp140) ABAQUS 中接触压力和间隙默认关系是“硬接触”,即接触面之间能够传递的接触压力
的大小不受限制;当接触压力变为零或负值时,两个接触面分离,并且去掉相应节点上的接触
约束。
[57] (pp140) 在对分析步的定义中可以使用下面关键词*CONTACT PRINT 将接触信息输出到DAT 文
件(ABAQUS/CAE 不支持)。CPRESS 和CFN 的区别是:CPRESS 是从面各个节点上各自的
接触压强,而CFN 代表接触面所有节点接触力的合力,它包含四个变量:CFNM、CFN1、CFN2
和CFN3。接触面所有节点在垂直于接触面方向上接触力的合力称为法向接触力。如果接触面是
曲面,就无法由CFN 直接得到法向接触力,这时可以通过各个从面节点的CPRESS 来计算法
向接触力
法向接触力=从面上所有节点的CPRESS 之和 X 从面的面积/从面上的节点数
由法向接触力可以计算库伦摩擦力
摩擦力=法向接触力X 摩擦系数
[58] (pp141) 利用MSG 文件可以查看分析迭代的详细过程,从面节点有开放和闭合两种接触状态。
如果在一次迭代中节点的接触状态发生了变化,称为“严重不连续迭代(SDI)”。
如果分析能够收敛,每次严重不连续迭代中CLOSURES 和OPENINGS 的数目会逐渐减少,最
终所有从面节点的接触状态都不再发生变化,就进入平衡迭代,直至收敛。
如果 CLOSURES 和OPENINGS 的数目逐渐减少,但最终不断重复出现“0 CLOSURES,1
OPENINGS”和“1 CLOSURES,0 OPENINGS”(此处的数字也可以大于1),即所谓“振颤”。
如果 CLOSURES 和OPENINGS 的数目逐渐减少,但减小的速度很慢,达到第12 次严重不连
续迭代后,ABAQUS 就自动减小增量步长,重新开始迭代。如果增大这个最大次数,允许
ABAQUS 多进行几次迭代,就有可能达到收敛。操作方法:进入Step 模块,主菜单Other→
General Solution Controls→Edit,选择相应的分析步,点击Continue,选中Specify,点击
Time Incrementation 标签页,点击第一个More,把Is 由默认的12 改为适当的值,然后点击
OK。
如果希望在 MSG 文件中看到更详细的接触分析信息,可以在Step 模块中选择菜单Output→
Diagnostic Print 然后选中Contact。其相应的关键词是*PRINT, CONTACT=YES。
[59] (pp145) 解决接触分析中的收敛问题:
(1)检查接触关系、边界条件和约束。
(2)消除刚体位移。表5-1 列出了各种模型类型可能出现的刚体位移。
模型类型 刚体位移
三维实体模型
U1、U2、U3(方向1、2、3 上的平移)
UR1、UR2、UR3(关于轴1、2、3 的转动)
轴对称模型
U2(方向2 上的平移)
UR3(关于轴3 的转动,只适用于轴对称刚体)
平面应力模型 U1、U2(方向1、2 上的平移)
平面应变模型 UR3(关于轴3 的转动)
出现刚体位移时,在MSG 文件中会显示Numerical Singularity(数值奇异)警告信息;有
些情况下,还会显示Negative Eigenvalue(负特征值)警告信息。具体操作方法:在
Visualization 功能模块的主菜单中选择Tools→Job Diagnostics,在弹出的对话框中选中
Highlight selections in viewport,可以显示出现了Numerical Singularity 的节点。
(3)一般来说,如果从面上有90º的圆角,建议在此圆角处至少划分10 个单元。
(4)如果接触属性为“硬接触”,应尽可能使用六面体一阶单元(C3D8)。如果无法划分六面
体单元网格,可以使用修正的四面体二次单元(C3D10M)。
(5)避免过约束,即节点的某个自由度上同时定义了两个以上的约束条件。可能造成过约束的
因素有:(a)接触:从面节点会受到沿主面法线方向的约束;(b)边界条件;(c)连接单元;
(d)子模型边界;(e)各种约束。
(6)摩擦系数越大,接触分析就越不容易达到收敛。
[60] (pp145) 解决振颤收敛问题5 种方法:
(1)主面必须足够大,保证从面节点不会滑出主面或落到主面的背面。如果无法在模型中直接
定义足够大的主面,可在关键词*CONTACT PAIR 中使用参数EXTENSION ZONE 来扩
大主面的尺寸。
*CONTACT PAIR, SMALL SLIDING, EXTENSION ZONE=<扩展尺寸>
(2)使用自动过盈接触限度会有助于解决振颤问题,其相应关键词为
*CONTACT CONTROLS, MASTER= <从面>, SLAVE= <主面>, AUTOMATIC TOLERANCES

具体操作:Interaction 模块,主菜单Interaction→Contact Controls→Create,然后点
击Continue,选中Automatic overclosure tolerance,再点击OK。在弹出的Edit
interaction 对话框中,将Contact Controls 设置为已定义的接触控制名称。
(3)主面应足够平滑,尽量使用解析刚性面,而不要用由单元构成的刚性面。对于解析刚性面,
可使用以下关键词来使其平滑
*SURFACE, FILLET RADIUS
对于由单元构成的刚性面,可可使用以下关键词来使其平滑
*CONTACT PAIR, SMOOTH
(4)若只有很少的从面节点和主面接触,则应细化接触面的网格,或将接触属性设置为“软接
触”。
(5)若模型有较长的柔性部件,并且接触压力较小,则应将接触属性设置为“软接触”。
[61] (pp150) 如果模型中有塑性材料,或分析过程中会发生很大的位移或局部变形,或施加载荷后会
使接触状态发生很大的变化,则应设置较小的初始时间增量步。
[62] (pp153) 在创建轴对称部件时,ABAQUS/CAE 要求旋转轴必须是竖直方向的辅助线,而且轴对
称部件的整个平面图都要位于旋转轴的右侧。
[63] (pp157) 在边界条件中给出的位移值是相对于模型初始状态的绝对位移值,而不是当前分析步中
的增量值。
第六章 弹塑性分析实例
[64] (pp166) ABAQUS 默认的塑性材料特性应用金属材料的经典塑性理论。在单向拉伸/压缩试验中
得到的数据是以名义应变nom ε 和名义应力nom σ 表示的,其计算公式
0 0
,
A
F
l
l
nom nom =
Δ
ε = σ
为了了准确地描述大变形过程中截面面积的改变,需要使用真实应力true ε (又称对数应变)和真
实应力true σ :
( ) ( ) true nom true nom nom ε = ln 1+ε , σ =σ 1+ε
[65] (pp167) 在比例加载时(即加载过程中主应力方向和比值不变),大多数材料PEMAG 和PEEQ
相等。两个量区别:PEMAG 描述的是变形过程中某一时刻的塑性应变,与加在历史有关,而
PEEQ 是整个变形过程中塑性应变的累积结果。
[66] (pp167) 等效塑性应变PEEQ 大于0 表明材料发生了屈服。在工程结果中,等效塑性应变一般
不应超过材料的破坏应变(failure strain)。

[67] (pp169) 在设定关键词*PLASTIC 的塑性数据时,应尽可能让其中最大的真实应力和塑性应变大
于模型中可能出现的应力应变值。
[68] (pp170) 在不影响重要部位分析精度的前提下, 同一个模型中可以混合使用弹塑性材料和弹性
材料。可将关心的部位设置为弹塑性材料,而将不重要的部位设置为线弹性材料。
[70] (pp170) 尽量不要对塑性材料施加点载荷,而是根据实际情况来使用面载荷或线载荷。如果必须
在某个节点上施加点载荷,可以使用耦合约束来为载荷作用点附近的几个节点建立刚性连接,
这样这些节点就会共同承担点载荷。
[71] (pp171) 如果材料是不可压缩的(例如金属材料),在弹塑性分析中使用二次完全积分单元
(C3D20)容易产生体积自锁。如果使用二次减缩积分单元(C3D20R),但应变大于20%~40%
时,需要划分足够密的网格才不会产生体积自锁。因此建议使用单元: C3D8I、C3D8R 和
C3D10M。
[72] (pp173) 在ABAQUS 中进行弹塑性分析的方法非常简单,只需定义弹塑性材料数据,并选择适
当的单元类型即可。
[73] (pp186) 如果刚性部件的几何形状较复杂,无法用解析刚体来建模,就需要使用离散刚体。
[74] (pp186) 二维离散刚体部件只能是Wire 或Point,而三维离散刚体部件可以是Solid、Shell、Wire
或Point,但注意只有对Shell 和Wire 才能将单元类型设置为刚体单元。
[75] (pp186) 离散刚体部件和解析刚体部件一样,也要指定一个参考点,所有边界条件和载荷都要施
加在这个参考点上。
[76] (pp192) 查看诊断信息,判断分析结果的正确性 具体操作方法: 在 Visualization 功能模块
的主菜单中选择Tools→Job Diagnostics,在弹出的Job Diagnostics 对话框中,点击左侧区
域中的加号,可以看到整个分析过程。如果警告信息(如严重不连续迭代SDI)没有出现在各个
增量步的最后一次迭代,那么分析结果就是正确的。
[77] (pp193) 出现应力不连续现象的原因:ABAQUS 直接分析结果是单元积分点上的应力,在后处理
时对其进行外推和平均才得到节点应力。如果某个部位的应力变化剧烈,而网格又比较粗糙,
就可能出现节点应力不连续的现象。在Visualization 功能模块中, 点击主菜单
Result→Options,在弹出的Result Options 对话框中可以设置应力不变量的计算方法。先不
变量在平均方法(选择Compute scalars before averaging)得到的节点Mises 应力偏大,作
为工程分析的结果会更安全。此外,若在所关心的部位看到应力不连续现象,应在此处细化网
格。
[78] (pp198) 子模型是在全局模型的基础上,对局部进行网格细化,作进一步分析,子模型是从全局
模型上切分下来的一部分;子结构是将模型的局部作为一个整体来处理,缩聚其内部自由度,
只保留与外部有连接关系的自由度,从而减小刚度矩阵和质量矩阵的规模和计算量。子结构往
往用于具有相同特征和性质的重复性局部结构。
[79] (pp199) 子模型的驱动变量(driven variable)一般是位移。全局模型在子模型边界上的位移结
果,被作为边界条件来引入子模型。如果全局模型和子模型在子模型边界上的节点分布不同,
ABAQUS 会对全局模型在此处的位移结果进行插值处理。

[80] (pp200) 子模型分析的基本步骤:
(1)完成对全局模型的分析,并保存子模型边界附近的分析结果。
提示:全局模型在子模型边界上的位移结果是否准确,会在很大程度上影响子模型的分析结果
精度。因此要保证全局模型在子模型边界上有足够细化的网格,另外还要尽量选择位移变化不剧
烈的位置作为子模型边界。
(2)创建子模型,定义子模型边界。
(3)设置各个分析步中的驱动变量。
(4)设置子模型的边界条件、载荷、接触和约束。
(5)提交对子模型的分析,检查分析结果。
[81] (pp201) 对于同一个分析步,全局模型和子模型的增量步长可以不同,ABAQUS 会自动对其进行
插值处理(对于大变形分析也没有问题)。此外,选择子模型边界时,要注意避免发生过约束。
第七章 热应力分析实例
[82] (pp210) ABAQUS 可以求解的传热问题有:
(1)非耦合传热分析(uncoupled heat transfer analysis) 即模型温度场不受应力应变场或电场的
影响。可以使用ABAQUS/Standard 来求解。
(2)顺序耦合热应力分析(sequentially coupled thermal-stress analysis) 即应力应变场取决于
温度场,但温度场不受应力应变的影响。可以使用ABAQUS/Standard 来求解。
(3)完全耦合热应力分析(fully coupled thermal-stress analysis) 即应力应变场和温度场之间存
在着强烈的相互作用,需要同时求解。可以使用ABAQUS/Standard 或ABAQUS/Explicit 来求
解。
(4)绝热分析(adiabatic analysis) 即力学变形产生热,而且整个过程的时间极短暂,不发生扩散。
可以使用ABAQUS/Standard 或ABAQUS/Explicit 来求解。
(5)热电耦合分析(coupled thermal-electrical analysis) 即使用ABAQUS/Standard 来求解电流
产生的温度场。
(6)空腔辐射(cavity radiation) 即使用 ABAQUS/Standard 来求解非耦合传热问题时,除了边界
辐射外,还可以模拟空腔辐射。
[83] (pp213) 在ABAQUS 中进行热应力分析的方法非常简单,只需定义线胀系数、初始温度场和分
析步中的温度场即可。
第八章 多体分析实例
[84] (pp239) 刚体部件的4 种建模方法:
(1)创建解析刚体。
(2)创建离散刚体。
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(3)创建柔体,然后在此部件和一个参考点之间建立显示体约束(*DISPLAY BODY)。其位移完全
取决于参考点的位移,部件本身只起到图形显示的作用,不影响整个模型的分析结果。具体操作:
在Visualization 功能模块中,点击主菜单Constraint→Manager,点击Create,选择约束类
型为Display body。
(4)创建柔体,然后在此部件和一个参考点之间建立显示体约束(*RIGID BODY)。其位移完全取决
于参考点的位移。
提示:解析刚体和离散刚体的优点是建模过程简单,并且可以减小模型的规模。刚体约束和显
示体约束在本质上是相同的,其共同优点是:只要去掉刚体约束或显示体约束,部件就恢复为柔
体。
[85] (pp227) ABAQUS 模拟多体系统的基本思路是:使用2 节点的连接单元在模型个部分之间建立连
接,并通过定义连接属性来描述个部分之间的相对运动约束关系。
[86] (pp228) 连接点可以是模型中的参考点、网格实体的节点、几何实体的顶点或地面。
[87] (pp232) 对于平移连接属性,两个连接点之间的相对旋转运动分量都是不受约束的;对于旋转连
接属性,两个连接点之间的相对平移运动分量都是不受约束的。
[88] (pp237) 连接单元的作用不仅仅是在两个连接点之间施加运动约束,它还有另外一个重要的作用:
度量两个连接点的相对运动、力和力矩。
[89] (pp239) 应尽量选择参考点作为连接单元的连接点,而不要直接使用Solid 实体的节点,因为具
有旋转属性的连接单元会激活Solid 实体节点上的旋转自由度,如果这些旋转自由度没有得到充
分的约束,就会造成收敛问题。
[90] (pp239) 为整个实体施加刚体约束时,无论实体的类型是Solid、Shell 或Wire,都应将刚体约束
施加在实体的单元上,即选择Body(elements)。
[91] (pp250) 在多体分析中,如果连接属性或边界条件选择不正确,很容易出现过约束。如果ABAQUS
无法自动解决过约束问题,则可能出现以下结果:(1)分析过程无法达到收敛;(2)虽然能够
达到收敛,但出现远远超过正常数量级的刚体位移;(3)虽然能够达到收敛,位移结果也正确,
但某个连接单元反作用力或力矩远远大于应有的值。出现过约束时,在MSG 文件中会显示
Overconstraint Check 和Zero Pivot 等警告信息。提示:ABAQUS/Explicit 不会显示Zero Pivot
等警告信息,因此在进行显示分析前,应首先使用ABAQUS/Standard 进行分析,确保模型中没
有过约束。
[92] (pp250) 一个正确的多体分析模型应满足如下关系:
实体总数 x 6 = 位移边界条件所约束的自由度总数 + 连接单元中受约束的相对运动分量总数
[93] (pp265) 基准坐标系的原点不一定要在连接单元的连接点所在的位置上,只要坐标轴的方向正确
即可。
[94] (pp272) 标记棒(tick mark)是一种类似于弯矩图的显示方法。用标记棒可以显示梁单元分析结
果。对于一维单元,使用标记棒来显示分析结果要比云纹图更加直观。具体操作方法:首先显
示弯矩云纹图,然后点击窗口底部提示区右侧的Contour Plot Options,在Basic 标签页中选
中Show tick marks for line elements。
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