ABAQUS實(shí)例分析

1、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法課程結(jié)業(yè)論文（ 2011 級(jí)） 題 目： ABAQUS實(shí)例分析 學(xué)生姓名 XXXX 學(xué)號(hào) XXXXX 專 業(yè) 機(jī)械工程 學(xué)院名稱 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 指導(dǎo)老師 XX 2013年5 月8 日目錄第一章Abaqus簡(jiǎn)介1一、Abaqus總體介紹1二、Abaqus基本使用方法21.2.1 Abaqus分析步驟21.2.2 Abaqus/CAE界面31.2.3 Abaqus/CAE的功能模塊3第二章 基于Abaqus的通孔端蓋分析實(shí)例4一、工作任務(wù)的明確4二、具體步驟42.2.1 啟動(dòng)Abaqus/CAE42.2.2 導(dǎo)入零件52.2.3 創(chuàng)建材料和截面屬性62.2.4 定義裝配件7

2、2.2.5 定義接觸和綁定約束（tie）102.2.6 定義分析步142.2.7 劃分網(wǎng)格 152.2.8 施加載荷192.2.9 定義邊界條件202.2.10 提交分析作業(yè)212.2.11 后處理22第三章課程學(xué)習(xí)心得與作業(yè)體會(huì)23第一章： Abaqus簡(jiǎn)介一、 Abaqus總體介紹Abaqus是功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常龐大的模型，處理高度非線性問(wèn)題。Abaqus不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以完成系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。Abaqus使用起來(lái)十分簡(jiǎn)便，可以很容易的為復(fù)雜問(wèn)題建立模型。Abaqus具備十分豐富的單元庫(kù)，可以模擬任意

3、幾何形狀，其豐富的材料模型庫(kù)可以模擬大多數(shù)典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、聚合物、復(fù)合材料、鋼筋混泥土、可壓縮的彈性泡沫以及地質(zhì)材料（例如土壤、巖石）等。Abaqus主要具有以下分析功能：1. 靜態(tài)應(yīng)力/位移分析 2. 動(dòng)態(tài)分析3. 非線性動(dòng)態(tài)應(yīng)力/位移分析4. 粘彈性/粘塑性響應(yīng)分析5. 熱傳導(dǎo)分析6. 退火成形過(guò)程分析7. 質(zhì)量擴(kuò)散分析8. 準(zhǔn)靜態(tài)分析9. 耦合分析10. 海洋工程結(jié)構(gòu)分析11. 瞬態(tài)溫度/位移耦合分析12. 疲勞分析13. 水下沖擊分析14. 設(shè)計(jì)靈敏度分析二、 Abaqus基本使用方法1.2.1 Abaqus分析步驟有限元分析包括以下三個(gè)步驟：1. 前處理（Abaq

4、us/CAE）:在前期處理階段需要定義物理問(wèn)題的模型，并生成一個(gè)Abaqus輸入文件。提交給Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit。2. 分析計(jì)算（Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit）:在分析計(jì)算階段，使用Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，通常以后臺(tái)方式運(yùn)行，分析結(jié)果保存在二進(jìn)制文件中，以便于后處理。3. 后處理（Abaqus/CAE或Abaqus/Viewer）: Abaqus/CAE的后處理部分又稱為Abaqus/Viewer，可用來(lái)讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以多種方法顯示分析結(jié)果，包括

5、彩色云紋圖、動(dòng)畫(huà)、變形圖和XY曲線圖等。1.2.2 Abaqus/CAE界面圖1-1 Abaqus/CAE的主窗口1.2.3 Abaqus/CAE的功能模塊一般使用Abaqus/CAE進(jìn)行應(yīng)力分析有以下幾個(gè)經(jīng)典的步驟：1、問(wèn)題的描述2、啟動(dòng)Abaqus/CAE3、創(chuàng)建部件4、創(chuàng)建材料和截面屬性5、定義裝配件6、設(shè)置分析步7、定義邊界條件和載荷8、劃分網(wǎng)格9、提交分析作業(yè)10、后處理11、退出Abaqus/CAEAbaqus/CAE包括一系列的功能模塊（module）,每個(gè)模塊均包含其特定的工具，在Module（模塊）列表中可以選擇各個(gè)功能模塊（如圖1-2），圖1-2 選擇功能模塊這些模塊的次序

6、同時(shí)也是Abaqus/CAE所推薦的模型創(chuàng)建順序（如圖1-3），當(dāng)然也可以首先劃分網(wǎng)格（如圖1-4），這樣做的好處是，往往在劃分網(wǎng)格的過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)部件的幾何模型需要進(jìn)一步修改，而經(jīng)過(guò)這些修改后，已經(jīng)定義好的邊界條件、載荷和接觸等可能變?yōu)闊o(wú)效的，需要再重新定義。 圖1-3 Abaqus/CAE所推薦的模型創(chuàng)建順序 圖1-4 根據(jù)需要來(lái)選擇適當(dāng)?shù)慕ｍ樞虻诙?基于Abaqus的通孔端蓋分析實(shí)例一、工作任務(wù)的明確 在安裝文件夾中有一個(gè)simple文件夾，里面有三個(gè).x_t文件，如圖2-1所示。它們是三個(gè)零件，該文章目的是演示將這三個(gè)文件通過(guò)Abaqus裝配好并達(dá)到劃分網(wǎng)格的目的，最終生成一個(gè).a

7、ce文件。圖2-1二、具體步驟2.2.1 啟動(dòng)Abaqus/CAE 在Windows操作系統(tǒng)中：開(kāi)始程序Abaqus 6.8-1ABAQUS CAE。啟動(dòng)ABAQUS CAE后，在出現(xiàn)的Start Session(開(kāi)始任務(wù))對(duì)話框中選擇Create Model Database(創(chuàng)建新模型數(shù)據(jù)庫(kù))。如圖2-2所示。圖2-22.2.2 導(dǎo)入零件 如圖2-3左圖，依次單擊主菜單中的FileImportPart，彈出圖2-3右圖對(duì)話框，選擇simple文件夾后可看到三個(gè).x_t文件，它們是通孔端蓋的三個(gè)組成部件，分別是螺釘、安裝板和固定圈。圖2-3 導(dǎo)入零件 導(dǎo)入后可看到零件如圖2-4所示。此時(shí)零件

8、尚未定義材料，所以表面是白色，待定義了材料后零件表面顯示藍(lán)色。零件zdc 零件LD 零件azb圖2-42.2.3 創(chuàng)建材料和截面屬性在窗口左上角的Module(模塊)列表中選擇Property(特性)功能模塊，按照以下步驟來(lái)定義材料。1) 創(chuàng)建材料點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)域中的（Create Material）,也可以直接雙擊左側(cè)模型樹(shù)中的Material來(lái)完成此項(xiàng)操作。在Name(材料名稱)后面輸入Steel，點(diǎn)擊此對(duì)話框中的Mechanical(力學(xué)特性)Elasticity(彈性)Elastic。在數(shù)據(jù)表中設(shè)置Youngs Modulus(彈性模量)為210000，Poissons Ratio(泊

9、松比)為0.3，其余參數(shù)不需改變（如圖2-5所示），點(diǎn)擊OK。按上述同樣的方法創(chuàng)建ZM-6合金材料。圖2-5 創(chuàng)建材料2) 創(chuàng)建截面屬性點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)中的（Create Section），在彈出的對(duì)話框中的Name中輸入Section-Steel，點(diǎn)擊continue，在接著彈出的對(duì)話框中將material下拉菜單中的Steel選中，單擊OK，此時(shí)已定義好Section-Steel。按照同樣的方法定義Section-ZM，如圖2-6所示。 圖2-6創(chuàng)建截面屬性3) 給部件賦予截面屬性 以安裝板為例，點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的（Assign Section），點(diǎn)擊視圖區(qū)中的安裝板模型，Abaqus/CAE

10、以紅色高亮度顯示被選中的實(shí)體邊界，如圖2-7所示。在視圖區(qū)的空白點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，彈出Edit Section Assignment對(duì)話框，將Section設(shè)置為Section-Steel，點(diǎn)擊OK。另外兩個(gè)零件的賦予截面屬性方法與此類似。賦予截面屬性后，各個(gè)部件表面變成綠色。圖2-72.2.4 定義裝配件1) 添加實(shí)體進(jìn)入Assembly功能模塊，點(diǎn)擊，選中全部部件，然后點(diǎn)擊OK，如圖2-8所示。圖2-8 添加裝配實(shí)體2) 使固定圈下表面與安裝板上表面相接觸 長(zhǎng)按按鈕，彈出接觸面約束類型選項(xiàng)，將鼠標(biāo)移動(dòng)至（Face to Face）然后放開(kāi)，如圖2-9所示。圖2-9首先點(diǎn)擊固定圈下表面，再點(diǎn)擊安

11、裝板的上表面，在所點(diǎn)擊的位置會(huì)顯示出面的方向。在窗口底部的提示區(qū)中點(diǎn)擊Flip來(lái)更正方向，然后點(diǎn)擊OK。如圖2-10左圖所示。提示區(qū)中顯示的兩個(gè)面的默認(rèn)距離為0.0，按回車鍵確認(rèn)。得到的模型如圖2-10右圖所示。圖2-103) 使安裝板和固定圈的螺釘孔對(duì)齊 重復(fù)圖2-9所示的步驟，將鼠標(biāo)移動(dòng)至（Coaxial）放開(kāi)，先點(diǎn)擊固定圈上的某個(gè)螺紋孔的內(nèi)表面，再點(diǎn)擊安裝板的某個(gè)螺紋孔的內(nèi)表面，點(diǎn)擊OK。圖2-11如圖2-11所示，此時(shí)只定義了一對(duì)螺紋孔，還需要定義一對(duì)螺紋孔才能把固定圈裝配到正確的位置，再次點(diǎn)擊，先后選擇需對(duì)齊的兩個(gè)螺紋孔的內(nèi)表面，點(diǎn)擊OK，此時(shí)安裝板與固定圈就已經(jīng)裝配到正確的位置，如

12、圖2-12表示。圖2-124) 安裝螺釘安裝螺釘分為三個(gè)部分，先要使螺釘螺紋柱與螺紋孔對(duì)齊，然后是安裝板的底面與螺釘頭部的底面相接觸，最后對(duì)這個(gè)螺釘進(jìn)行陣列。首先單擊，先后選擇螺釘?shù)穆菁y柱和安裝板的螺紋孔，點(diǎn)擊Flip選好方向后點(diǎn)擊OK確認(rèn)，螺釘?shù)奈恢萌鐖D2-13所示。圖2-13單擊，分別選擇螺釘頭部的底面和安裝板的底面，使螺釘裝配到正確的位置，這里要注意箭頭的方向，如果方向相反則裝配會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，點(diǎn)擊Flip改正方向后點(diǎn)擊OK確認(rèn)。正確的螺釘位置如圖2-14所示。圖2-14點(diǎn)擊工具區(qū)中的（環(huán)形陣列），在視圖區(qū)點(diǎn)擊螺釘，在提示區(qū)中點(diǎn)擊Done,彈出陣列對(duì)話框（如圖2-15左圖），將陣列數(shù)量改成8

13、，角度改為360度，點(diǎn)擊Axis然后選擇Y軸，待看到陣列出的螺釘處于正確位置后點(diǎn)擊OK退出,陣列后如圖2-15右圖所示。圖2-15 陣列螺釘2.2.5 定義接觸和綁定約束（tie）下面將在安裝板和固定環(huán)之間定義接觸，在螺釘和底座的螺紋處建立綁定約束。1) 定義接觸和綁定約束所要用到的各個(gè)面在定義這些面之前，由于已經(jīng)完成assembly過(guò)程；造成平面選擇困難，此過(guò)程成可以使用view-assembly display options；如圖2-16所示，分別勾選不同的零部件進(jìn)行顯示，從而正確快速地確定出對(duì)應(yīng)的面。圖2-16進(jìn)入Interaction功能模塊，雙擊模型樹(shù)中的Surface,新建一個(gè)接

14、觸面，先給這個(gè)面命名，確認(rèn)后開(kāi)始在模型上選擇要定義的面，選好后點(diǎn)擊提示區(qū)的Done。注意：在選擇陣列過(guò)的螺釘上的接觸面時(shí)要先把安裝板設(shè)為Suppress狀態(tài)。依次定義如圖2-17所示的接觸面（螺釘只選一個(gè)作解釋，其余的都一樣）：圖2-17 定義接觸面2) 在螺紋處定義綁定約束在模型樹(shù)中雙擊Constraint，出現(xiàn)如圖2-18左圖所示對(duì)話框，按圖中設(shè)置好名稱和類型后點(diǎn)擊Continue，點(diǎn)擊窗口底部提示區(qū)右側(cè)的Surface按鈕，在彈出的Region Selection對(duì)話框中，選中Surf-zdc-ld1來(lái)作為綁定約束的主面，點(diǎn)擊Continue，再次點(diǎn)擊提示區(qū)中的Surface按鈕,選中S

15、urf-ld1-zdc來(lái)作為綁定約束的從面。在彈出的Edit Constraint對(duì)話框中（如圖2-18中圖），將Position Tolerance設(shè)為Specify distance:0.02，點(diǎn)擊OK退出。按同樣的方法設(shè)置如圖2-18右圖中的各個(gè)綁定約束。 圖2-183) 定義帶庫(kù)倫摩擦的接觸屬性和不帶摩擦的接觸屬性點(diǎn)擊（Create Interaction Property），在Name后面輸入IntProp-friction-015，點(diǎn)擊Continue。點(diǎn)擊MechanicalTangential Behavior，把摩擦類型改為Friction formulation:Penal

16、ty，在Friction Coeff下面輸入0.15，然后點(diǎn)擊OK。如圖2-19左圖所示。同樣，再次點(diǎn)擊，在Name后面輸入IntProp-no-friction，點(diǎn)擊Continue。點(diǎn)擊MechanicalTangential Behavior，把摩擦類型改為Friction formulation:Frictionless。如圖2-19右圖所示。圖2-194) 定義安裝板與和螺釘之間的接觸點(diǎn)擊，在Name后輸入Int-ld1-azb，類型為Surface-to-Surface contact(standard)，點(diǎn)擊Continue。在彈出的Region Selection對(duì)話框中，選中

17、Surf-azb-ld作為主面，點(diǎn)擊Continue。點(diǎn)擊窗口底部提示區(qū)中的Surface按鈕，選中Surf-ld1-azb作為從面，點(diǎn)擊Continue。在彈出的Edit Interaction對(duì)話框中，按照?qǐng)D2-20左圖進(jìn)行設(shè)置。按照同樣的方法定義Int-ld2-azb到Int-ld8-azb。5) 定義安裝板和固定圈之間的約束 點(diǎn)擊，在Name后輸入Int-azb-zdc，類型為Surface-to-Surface contact(standard)，點(diǎn)擊Continue。在彈出的Region Selection對(duì)話框中，選中Surf-azb-zdc作為主面，點(diǎn)擊Continue。點(diǎn)擊窗

18、口底部提示區(qū)中的Surface按鈕，選中Surf-zdc-azb作為從面，點(diǎn)擊Continue。在彈出的Edit Interaction對(duì)話框中，按照?qǐng)D2-20右圖進(jìn)行設(shè)置。圖2-206) 保存模型點(diǎn)擊窗口頂部工具欄中的來(lái)保存所建的模型。2.2.6 定義分析步本模型中將包含以下分析步：1) 初始分析步initial施加固定圈的固支邊界條件2) 第一個(gè)分析步（名稱為S1-tempFix-10N）在安裝板的端面上定義臨時(shí)的固支邊界條件，在螺釘上施加很小的預(yù)緊力（10N），讓各個(gè)接觸關(guān)系平穩(wěn)的建立起來(lái)。按照?qǐng)D2-21進(jìn)行設(shè)置圖2-213) 第二個(gè)分析步（名稱為S2-freeTemp-10N）去掉安裝

19、板端面上的固支邊界條件，保持螺釘上的10N預(yù)緊力不變。按照?qǐng)D2-22進(jìn)行設(shè)置圖2-224) 第三個(gè)分析步（名稱為S3-15KN）將螺釘上的預(yù)緊力增加到15000N；按照?qǐng)D2-21進(jìn)行設(shè)置圖2-23創(chuàng)建上述分析步的具體操作方法為：進(jìn)入Step功能模塊，點(diǎn)擊。在Name后面輸入分析步名稱，類型為默認(rèn)的Static,General，點(diǎn)擊Continue，各項(xiàng)參數(shù)按照如圖設(shè)置，直接點(diǎn)擊OK。2.2.7 劃分網(wǎng)格1) 劃分螺釘網(wǎng)格為了在后面的操作中定義螺栓載荷（bolt load），需要分割螺釘，得到一個(gè)能施加預(yù)緊力的面。進(jìn)入Mash功能模塊，在窗口頂部的環(huán)境欄中把Object選項(xiàng)設(shè)為Part:LD。在

20、左側(cè)工具區(qū)中的上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，在提示區(qū)中選擇XY plane，offset設(shè)為32，按回車確認(rèn),得到如圖2-24左圖所示的基準(zhǔn)面。在左側(cè)工具區(qū)中的上按住鼠標(biāo)左鍵，在拉出的選項(xiàng)中選擇第二個(gè)按鈕，點(diǎn)擊剛才創(chuàng)建的基準(zhǔn)面的邊線，然后按鼠標(biāo)中鍵來(lái)確認(rèn)，螺釘被分割完成。分割后的螺釘如圖2-24右圖所示。圖2-24 分割螺釘鼠標(biāo)左鍵長(zhǎng)按按鈕，選擇，由于之前已經(jīng)分割產(chǎn)生了一個(gè)預(yù)緊力的施加面，所以這里只要點(diǎn)擊螺釘?shù)穆菝辈糠?，如圖2-25所示，按鼠標(biāo)中鍵確認(rèn)后再點(diǎn)擊螺帽與安裝板的接觸面，然后點(diǎn)擊提示區(qū)中的按鈕，這樣就將螺釘分成了三個(gè)部分。圖2-25點(diǎn)擊，選中螺釘，在彈出的對(duì)話框中按照如圖2-26左圖設(shè)置全局種子參

21、數(shù)。設(shè)置全局種子：1.5；再選擇seed edge by size設(shè)置增大螺釘ld與azb接觸面上的種子密度：1.0圖2-26點(diǎn)擊，選中螺釘，確認(rèn)后彈出Mash Controls對(duì)話框，按圖2-27進(jìn)行設(shè)置網(wǎng)格劃分方法。:設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)：Element Shape：Hex(三維區(qū)域可以用較小的計(jì)算代價(jià)得到較高的精度)Techniques: Sweep(掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù))Alogrithm： Medial axis（中性軸算法）圖2-27點(diǎn)擊按鈕，選中螺釘，確認(rèn)后彈出對(duì)話框按照?qǐng)D2-28左圖所示設(shè)置，選擇C38DR完成后點(diǎn)擊OK。點(diǎn)擊按鈕，選中螺釘，點(diǎn)擊提示區(qū)中的OK，軟件開(kāi)始為螺釘劃分網(wǎng)格，結(jié)果

22、如圖2-28右圖所示。圖2-282) 劃分安裝板網(wǎng)格Object選擇Part:azb，此時(shí)零件顯示為褐色，是不能進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分的，需要提前將部件分割成若干區(qū)域。通過(guò)這些分割方法將安裝板合理切割成若干塊后，部件將呈圖2-33（3）左圖所示的黃色和綠色，注意要確保不能留有褐色的部分。設(shè)置全局種子參數(shù)為3，在與螺釘接觸面上定義種子數(shù)設(shè)為：1；點(diǎn)擊，確認(rèn)后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后點(diǎn)擊，顯示過(guò)程如圖2-29所示。圖2-29設(shè)置全局種子：3對(duì)與螺釘接觸處設(shè)為：1；劃分網(wǎng)格，如圖2-30所示；圖2-303) 劃分固定環(huán)網(wǎng)格Object選擇Part:zdc，按照上述方法將固定環(huán)切割成若干個(gè)形狀規(guī)則的部分，如

23、圖2-31所示，點(diǎn)擊設(shè)置全局種子參數(shù)Approximate global size:3，點(diǎn)擊OK。點(diǎn)擊,選中整個(gè)部件，彈出如下圖右圖對(duì)話框，點(diǎn)擊OK。設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)：Element Shape：Hex 三維區(qū)域Techniques: Sweep(掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù))Alogrithm： Advancing front圖2-31點(diǎn)擊，按照?qǐng)D2-28設(shè)置，點(diǎn)擊選擇：設(shè)置單元類型：C3D8R: An 8-node linear brick, reduced integration, hourglass control. （六面體非協(xié)調(diào)模式單元）。點(diǎn)擊，確認(rèn)后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后點(diǎn)擊，顯示為如圖2-3

24、2左圖所示。圖2-32到此為止，部件網(wǎng)格已經(jīng)全部劃分完畢，Object選擇Assembly，視圖區(qū)顯示整個(gè)裝配體網(wǎng)格劃分完成后的圖像，如圖2-33所示2.2.8 施加載荷1) 在第一個(gè)分析步中，在螺釘上施加10N的預(yù)緊力進(jìn)入Load功能模塊，雙擊模型樹(shù)中的Load，在Name后輸入Load-1，載荷類型為bolt load，如圖2-34左圖所示，然后點(diǎn)擊Continue，點(diǎn)擊施加螺栓載荷的面，如中圖所示。圖2-34在提示區(qū)中點(diǎn)擊purple按鈕，然后點(diǎn)擊Y軸，在彈出的Edit Load對(duì)話框中，接受默認(rèn)的承載方式Apply force,在Magnitude后面輸入預(yù)緊力的大小10，然后點(diǎn)擊OK

25、，加上預(yù)緊力的螺栓如圖2-34右圖所示。按同樣的方法定義預(yù)緊力Load-2到Load-8。2) 在第三個(gè)分析步中，將螺栓預(yù)緊力增加到15000N如圖2-35所示，在上一步已經(jīng)定義好的8個(gè)預(yù)緊力中，分別雙擊每個(gè)預(yù)緊力的第三個(gè)分析步S3-15KN(Propagated),在彈出的對(duì)話框中將Magnitude改為15000N，點(diǎn)擊OK。圖2-352.2.9 定義邊界條件在安裝板的的端面上定義臨時(shí)的固支邊界條件，雙擊模型樹(shù)中的BC,新建邊界條件，名稱為BC-temp-fix,分析步為inicial，點(diǎn)擊Continue，然后選中如圖2-36左圖所示紅色區(qū)域，在彈出的編輯邊界條件對(duì)話框中勾選YASYMM，點(diǎn)擊OK。圖2-36在固定圈上定義固支邊界條件，雙擊BC，名稱為BC-zdc-fix,分析步為initial，點(diǎn)擊Continue，然后選中如圖2-37左圖所示紅色區(qū)域，在彈出的編