Table Of ContentА. А. Золочевский, А. А. Беккер
Введение в ABAQUS
Харьков 2011
УДК 004.4
ББК 32.973.26+018.2
З 81
А. А. Золочевский, А. А. Беккер.
З 81 Введение в ABAQUS. – Х.: 2011
ISBN 978-966-2262-27-8
Данное методическое пособие представляет собой ознакомление начинающих
пользователей с пакетом программ ABAQUS для конечно-элементного анализа. При
изучении материала не требуются первоначальные знания конечно-элементных па-
кетов, но читатели должны быть знакомы с основами метода конечных элементов.
Включены примеры, предназначенные для самостоятельного изучения программного
комплекса ABAQUS.
Для инженерно-технических и научных работников, а также студентов универ-
ситетов.
УДК 004.4
ББК 32.973.26+018.2
ISBN 978-966-2262-27-8 © А. А. Золочевский, А. А. Беккер., 2011
Содержание
1. Введение .........................................................6
2. Примечания по входным данным в ABAQUS .......................7
Определение детали (Геометрия) ...................................7
Выбор типа элемента ..............................................7
Свойства материала ...............................................7
Определение шага расчета .........................................7
Граничные условия в перемещениях ................................8
Приложенные нагрузки ............................................8
Температурные условия ............................................8
Запрос результатов ................................................8
3. Модули ABAQUS-CAE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
4. Пример 1: Перфорированная пластина ...........................10
Геометрия ........................................................10
Свойства материала ..............................................10
Тип анализа ......................................................10
Граничные условия по перемещениям ..............................10
Граничные условия в перемещениях следующие: ...................11
Приложенные нагрузки ...........................................11
Тип элемента .....................................................11
КЭ сетка .........................................................11
Аналитическое решение ..........................................11
5. Использование ABAQUS-CAE для моделирования пластины ......12
Запуск ABAQUS-CAE .............................................13
Сохранение модели ABAQUS ......................................13
Модуль 1: PART .................................................13
Module 2: PROPERTY ............................................14
Module 3: ASSEMBLY ............................................15
Module 4: STEP ..................................................15
Module 5: INTERACTION ........................................15
Module 6: LOAD .................................................15
Module 7: MESH .................................................16
Module 8: JOB ...................................................17
Module 9: VISUALIZATION .......................................17
4 А.А. Золочевский, А.А. Беккер.
6. Структура входного файла ABAQUS ..............................19
(a) Строки ключевых слов («Keywords») ............................19
(b) Строки данных («Data») .......................................20
(c) Строки комментария ..........................................20
8. Пример 2: Релаксация напряжений ...............................23
Геометрия ........................................................24
Типа анализа .....................................................24
Граничные условия по перемещениям ..............................24
Приложенные нагрузки ...........................................24
Тип элемента .....................................................24
КЭ сетка .........................................................25
Таблица входных данных ..........................................25
Аналитическое решение ..........................................26
Запуск ABAQUS-CAE .............................................26
Модуль 1: PART .................................................26
Module 2: PROPERTY ............................................27
Module 3: ASSEMBLY ............................................28
Module 4: STEP ..................................................28
Module 5: INTERACTION ........................................28
Module 7: MESH .................................................29
Module 8: JOB ...................................................30
Module 4: STEP ..................................................30
Module 8: JOB ...................................................30
Module 9: VISUALIZATION .......................................31
9. Литература ......................................................35
Приложение 1: Элементы сплошной среды для расчета напряжений в
ABAQUS ...........................................................36
Топология: .......................................................36
Точки интегрирования: ...........................................36
Грани Элементов: .................................................37
Приложение 2: Элементы ABAQUS для расчетов теплопередачи .....37
Приложение 3: Другие элементы ABAQUS ...........................38
Элементы Фермы .................................................38
Стержневые элементы ............................................38
3D Твердотельные элементы (анализ напряжений) ..................38
Приложение 4: Некоторые имена переменных, используемые в ABAQUS. . .39
Приложение 5: Некоторые ключевые слова ABAQUS ................40
Элементы ........................................................40
Введение в ABAQUS 5
Свойства материалов .............................................41
Задание шага .....................................................42
Ограничение по перемещениям ...................................43
Приложенние нагрузки ...........................................43
Температурные граничные условия ................................44
Вывод значений ..................................................45
Приложение 6: Нелинейный КЭ анализ .............................46
Нелинейность материала ..........................................46
Геометрическая нелинейность .....................................46
Нелинейность граничных условий (Контакт) .......................47
Приложение 7: Некоторые файлы, которые генерирует ABAQUS .....47
6 А.А. Золочевский, А.А. Беккер.
1. Введение
Цель данного методического пособия – ознакомление начинающих
пользователей с пакетом программ ABAQUS для конечно-элементного
анализа. Для его прочтения не требуются первоначальные знания конеч-
но-элементных пакетов, но читатели должны быть знакомы с основами
метода конечных элементов (элементы, узлы, граничные условия и т.п.).
Дальнейшую информацию по ABAQUS можно найти в руководстве [1].
Авторы благодарны А. В. Мартыненко за помощь при подготовке данного
пособия. Издание методического пособия осуществлено благодаря фи-
нансовой поддержке фонда Александра фон Гумбольдта (Германия).
Задача данного пособия – краткое вводное руководство для конечно-
элементного (КЭ) пакета ABAQUS. Первый его модуль, ABAQUS-CAE ис-
пользуется в качестве «препроцессора», который создает входные файлы с
данными и отправляет их в «решатель» (обычно это ABAQUS-STANDARD).
После решения уравнений, ABAQUS-CAE может быть использован как
«постпроцессор» для просмотра и анализа результатов, см. Рис. 1.
Запустите ABAQUS-CAE для создания входного файла
ABAQUS (для определения геометрии, элементов, сет-
Pre-Processing
ки, свойств материала, граничных условий, нагрузок,
и т.п.)
Запустите решатель (обычно ABAQUS-STANDARD
или ABAQUS-EXPLICIT), чтобы решить уравнения и Solver
вычислить перемещения и напряжения
Запустите ABAQUS-CAE для просмотра результатов
(например, деформированной формы, напряжения, Post-Processing
контуров, и т.д.)
Рис. 1: Алгоритм решения задачи с использованием ABAQUS-CAE
ABAQUS предлагает пользователю очень широкий диапазон элементов
и вариантов конечно-элементного анализа. В данном пособии рассматри-
ваются только следующие темы:
• Геометрия: 2D, 3D и осесимметричная
• Элементы: Элементы сплошной среды
(2D, 3D и осесимметричные)
• Материал: Упругий изотропный материал
Введение в ABAQUS 7
• Виды анализа: Линейный упругий статический анализ
Нелинейный анализ ползучести
• Граничные условия: Ограниченные перемещения точек
Приложенные нагрузки
Температура и тепловой поток
2. Примечания по входным данным в ABAQUS
Для создания входного файла для КЭ анализа, пользователь должен
определить все входные параметры, необходимые для геометрии, свойств
материалов, граничных условий, нагрузки и т.д.
Определение детали (Геометрия)
В ABAQUS используются глобальные декартовы координаты, заданные
по правилу правой руки, с осями х, у и z. Однако пользователь может вы-
брать другую систему координат для ввода, например, цилиндрическую
или сферическую.
Выбор типа элемента
В Приложениях 1 и 2 приведен перечень 2D и осесимметричных элементов,
используемых при расчете напряжений и решении задач теплообмена. Некото-
рые другие элементы обсуждаются в Приложении 3. Заметим, что все элементы
ABAQUS полностью изопараметричны (то есть тот же порядок варьирования
(степень полинома) используется и для геометрии, и для переменных).
Изопараметричные квадратичные элементы (в которых и геометрия,
и переменные изменяются по квадратичному закону на каждом элемен-
те) являются наиболее часто используемыми элементами, поскольку они
предлагают удачный компромисс между точностью и временем вычисле-
ния. Однако в некоторых нелинейных задачах, линейные элементы (с огра-
ниченными возможностями интеграции) могут дать лучшие результаты.
Свойства материала
Тaк кaк ABAQUS не использует каких-либо конкретных единиц изме-
рения в расчетах, любая совместная система единиц может быть использо-
вана для определения свойств материала. Пользователь может определить
так много свойств материала, как он пожелает, но ABAQUS будет исполь-
зовать только те, что соответствуют расчету (например, в нетермическом
расчете, теплопроводность материала не будет использоваться). Для боль-
шинства свойств материала разрешается задать различные значения в за-
висимости от температуры. Для этого пользователь должен задать точки
на графике изменения свойств в зависимости от температуры, и програм-
ма автоматически соединит их прямой линией.
Определение шага расчета
В ABAQUS нагрузки прикладываются с помощью тaк называемых за-
данных шагов (STEPS). В нелинейных задачах, каждый шаг нагружения
8 А.А. Золочевский, А.А. Беккер.
может состоять из нескольких приращений нагрузки, и каждое прираще-
ние нагрузки может состоять из нескольких итераций. В простом линей-
ном упругом расчете, необходим только один шаг нагружения (с одной
итерацией), в котором полная нагрузка прикладывается мгновенно.
Каждый шаг нагружения может также иметь свой собственный тип
анализа, граничные условия и выходные результаты. Например, за шагом
линейного анализа может следовать еще один шаг нелинейного анализа
ползучести.
Граничные условия в перемещениях
Пользователь может указать ограничение перемещений путем присвое-
ния значений соответствующим узловым «степеням свободы». В расчетах
напряжений, связанных с элементами непрерывной среды, компоненты
перемещений являются степенями свободы, в то время как в задачах теп-
лопроводности, температура является степенью свободы. Заметим, что для
стержневых и пластинчатых элементов, степени свободы включают как пе-
ремещения, так и градиенты перемещений (угол поворота оси элемента).
Приложенные нагрузки
Установленные напряжения (распределенные нагрузки) или силы, при-
ложенные в точке, могут быть определены только на поверхности элемента.
Заметим, что ABAQUS требует, чтобы «давление» определялось как поло-
жительное число. Таким образом, в ABAQUS растягивающие напряжения
следует определять как отрицательное значение (вводить со знаком минус).
Температурные условия
Для задач теплопроводности, пользователь может указать заранее за-
данную температуру, тепловой поток или тепловую конвекцию.
Запрос результатов
ABAQUS предлагает пользователю большую гибкость контроля пере-
менных после успешного решения задачи. Пользователь может сохранять
любые полученные данные в файл для последующей пост-обработки в
ABAQUS-CAE или в другой программе (например, FEMGV). Таблица,
содержащая перечень некоторых имен переменных, приведена в Прило-
жении 4. Заметим, что перемещения являются переменными узла (node
variables) в то время, как напряжения являются переменными элемента
(element variables).
3. Модули ABAQUS-CAE
ABAQUS/CAE разделен на так называемые «МОДУЛИ». Порядок моду-
лей, приведенный ниже, отвечает тому порядку, в котором они находятся
в панели инструментов MODULE на экране.
1. PART Module
Введение в ABAQUS 9
модуль предназначен для создания деталей, задания их геометрии,
опорных точек и систем координат, а также импорта геометрии.
2. PROPERTY Module
модуль предназначен для определения материалов и сечений, применя-
емых в модели, а также для задания их физических характеристик.
3. ASSEMBLY Module
модуль, предназначенный для задания взаимного расположения дета-
лей и сборки их в единую модель.
4. STEP Module
модуль, предназначенный для создания шагов расчета и определения
выходных данных из результатов расчета.
5. INTERACTION Module
модуль, предназначенный для определения взаимодействий между де-
талями, контактных участков и их свойств.
6. LOAD Module
модуль, предназначенный для создания нагрузок, прикладываемых
к модели, а также начальных и граничных условий для нее.
7. MESH Module
модуль, предназначенный для построения сетки. Фактически, в нем про-
исходит преобразование геометрической модели в конечно-элементную.
8. JOB Module
модуль, предназначенный для создания командного INPUT файла вход-
ных данных, проверки построенной модели, запуска вычислительного
процесса и контроля над ним. Заметим, что количество одновременно вы-
полняемых расчетов не может превосходить количество лицензий. Если
задач больше, чем лицензий, то они ставятся в очередь до тех пор, пока не
освободится лицензия.
9. VISUALIZATION Module
модуль, предназначенный для просмотра результатов расчета и обра-
ботки полученных данных, после удачного завершения расчета.
10. SKETCH Module
модуль, предназначенный для создания двумерных эскизов и чертежей
модели.
