ABAQUS中實體單元的應(yīng)用

1、 ABAQUS中實體單元的應(yīng)用在ABAQUS的單元庫中，應(yīng)用最廣泛的是應(yīng)力/位移實體單元族。對三維單元，可以選擇六面體、四面體和楔形體；對二維單元則可在三角形與四邊形之間進行選擇。這些基本的單元形狀，每一種都有線性和二次的兩類選擇。對六面體和四邊形，還可選擇完全積分或減縮積分。最后，還可選用標準元或雜交元列式。另外對線性六面體或四邊形單元，還有個附加的功能，可選擇非協(xié)調(diào)模式，而對二次的三角形或四面體單元可以應(yīng)用修正列式。若列出所有種類的單元，所面臨的實體單元的總數(shù)目是相當大的，僅三維單元而言就超過20種。模擬的精度將強烈地依賴于所采用的單元類型。特別是在初次使用時，在這些單元中選擇哪一個最為合

2、適很可能是一件令人苦惱的事情。然而，用戶會逐漸把這個工作看作是從一個20多件的工具組中，有能力選擇最恰當?shù)墓ぞ呋騿卧獊硗瓿傻囊粋€有價值的工作。這一章討論了不同的單元列式和積分水平對一個特定分析的精度的影響。同時也討論了一些選擇實體單元的一般性原則。這些討論提供了獲得更多應(yīng)用ABAQUS經(jīng)驗和知識的基礎(chǔ)。在本節(jié)末的例子將允許用戶應(yīng)用這些知識建立和分析一個連接柄構(gòu)件的模型。4.1 單元列式和積分通過圖4-1所示的懸臂梁，可闡明單元階數(shù)（線性或二次），單元列式及積分水平等因素對結(jié)構(gòu)模擬精度的影響。這是評估一個給定單元的性能的經(jīng)典測試。因為該構(gòu)件相對是細長的，我們通常用梁單元來對它建立模型。但在這里我

3、們用這個測試來幫助評估各種實體單元的效率。梁長150mm，寬2.5mm，高5mm；一端固定；自由端承受5N的荷載。材料的楊氏模量E為70GPa，泊松比為0.0。采用梁的理論，在載荷P作用下，梁自由端的撓度為其中，是長度，b是寬度，d是梁的高度。P = 5N時自由端撓度是3.09mm。圖4-1 自由端受集中載荷的懸臂梁完全積分所謂“完全積分”是指當單元具有規(guī)則形狀時，所用的Gauss積分點的數(shù)目足以對單元剛度矩陣中的多項式進行精確積分。對六面體和四邊形單元而言，所謂“規(guī)則形狀”是指單元的邊相交成直角，而任何的節(jié)點位于邊的中點。線性單元如要完全積分，則在每一方向需要兩個積分點。因此，三維單元C3D

4、8在單元中排列了222個積分點。而二次單元如要完全積分則在每一方向需要3個積分點。在完全積分的二維四邊形單元中積分點的位置如圖4-2所示。圖42 完全積分時，二維四邊形單元中的積分點如圖43所示，我們采用了幾種不同的有限元網(wǎng)格來對懸臂梁問題進行模擬。模擬采用了線性或二次的完全積分單元，并說明了單元階數(shù)(一階與二階)和網(wǎng)格密度對結(jié)果精度的影響。表41列出了不同網(wǎng)格情況下自由端位移與梁的理論解3.09mm的比值。用線性單元CPS4和C3D8所得的撓度值是如此之差以至于其結(jié)果是不可用的。網(wǎng)格越粗，結(jié)果的精度越差，但即使網(wǎng)格劃分得相當細(824)，得到的位移仍只是理論值的56%。注意到對線性完全積分單

5、元而言，在厚度方向單元的剖分數(shù)并不會造成什么差異。這是由剪力鎖閉引起的，它是對所有完全積分的一階實體單元都存在的問題。圖43 懸臂梁模擬所采用的網(wǎng)格表41 完全積分單元的梁撓度比值單元網(wǎng)格尺寸(高度長度)16212412824CPS40.0740.2420.2420.561CPS80.9941.0001.0001.000C3D80.0770.2480.2430.563C3D200.9941.0001.0001.000正如我們已經(jīng)看到的，剪力鎖閉使單元在彎曲時過于剛硬。對之可作如下解釋：考慮一個受純彎的結(jié)構(gòu)中的一小塊材料，材料將產(chǎn)生的彎曲如圖44所示。開始時平行于水平軸的直線按常曲率彎曲，而厚度

6、方向的直線將保持為直線。水平線與豎直線之間的夾角保持。因為線性單元的邊不能彎曲，所以，如果用單個單元來模擬小塊材料，則其變形后的形狀如圖45所示。為清楚起見，畫出了通過積分點的虛線。很明顯，上部直線的長度增加，這說明1方向的應(yīng)力，s11，是拉伸的。類似地，下部直線的長度縮短，說明s11是壓縮的。豎直直線的長度沒有改變(假設(shè)位移很小)。因此，所有積分點上的s22為零。所有這些結(jié)論與受純彎的小塊材料所預(yù)計的應(yīng)力狀態(tài)是一致的。但是在每一個積分點，豎直線與水平線之間夾角開始時是，變形后改變了。這說明每一點的剪應(yīng)力 s12不為零。這是不正確的：純彎時一小塊材料中的剪應(yīng)力應(yīng)為零。圖44 受彎曲材料的變形圖

7、45 受彎曲的完全積分線性單元的變形出現(xiàn)這個偽剪應(yīng)力的原因是因為單元的邊不能彎曲。它的存在意味著應(yīng)變能導(dǎo)致剪切變形，而不是導(dǎo)致彎曲變形，其結(jié)果導(dǎo)致總的撓度變小了：即單元太剛硬了。剪力鎖閉只影響受彎曲載荷的完全積分線性單元，這些單元的功能在受縱向或剪切荷載時并沒有問題。而二次單元的邊界可以彎曲(見圖46)，故它沒有剪力鎖閉的問題。對表41所示的二次單元，計算所得的自由端位移接近于理論解。但是，如果二次單元扭曲或彎曲應(yīng)力有梯度，則也可能出現(xiàn)某些鎖閉現(xiàn)象，而這兩種情況在實際問題中是可能發(fā)生的。只有在確認載荷將產(chǎn)生小彎曲時，才可采用完全積分的線性單元。而如果對載荷產(chǎn)生的位移類型有懷疑，則應(yīng)采用不同的單

8、元類型。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，完全積分的二次單元也可能發(fā)生鎖閉。因此如果在模型中有此類單元，則應(yīng)細心地檢查計算的結(jié)果。但是，對于局部應(yīng)力集中問題，完全積分的線性單元是非常有用的。圖46 受彎曲的完全積分二次單元的變形減縮積分只有四邊形和六面體單元才能采用減縮積分；而所有的楔形體、四面體和三角形實體單元只能采用完全積分，即使它們與減縮積分的六面體或四邊形單元用在同一個網(wǎng)格中。減縮積分單元比完全積分單元在每個方向少用一個積分點。減縮積分的線性單元只在單元中心有一個積分點。（實際上，在ABAQUS中這些一階單元采用了更精確的均勻應(yīng)變公式，對此單元計算了其應(yīng)變分量的平均值。在這里的討論中此種區(qū)別是不重要的

9、）。對減縮積分四邊形單元，積分點的位置如圖47所示：圖47 采用減縮積分的二維單元的積分點利用前敘的四類單元及圖43所示的四種有限元網(wǎng)格，通過減縮積分來對懸臂梁問題進行計算，其結(jié)果列于表42。表42 減縮積分單元的梁撓度比值單元網(wǎng)格尺寸(高度長度)16212412824CPS4R20.3*1.3081.0511.012CPS8R1.0001.0001.0001.000C3D8R70.1*1.3231.0631.015C3D20R1.0001.0001.0001.000* 沒有剛度抵抗所加載荷線性的減縮積分單元由于存在著所謂沙漏 (hourglassing) 的數(shù)值問題而過于柔軟。再一次考慮用單

10、個減縮單元模擬受純彎載荷的小塊材料（見圖48）。圖48 受彎曲的減縮積分線性單元的位移單元中虛線的長度均沒有改變，并且它們的夾角也沒有改變，這意味著在單元單個積分點上的所有應(yīng)力分量都為零。由于單元變形沒有產(chǎn)生應(yīng)變能，所以這種彎曲的變形模式是一個零能量模式。由于單元在此模式下沒有剛度，所以不能抵抗此種形式的位移。在粗網(wǎng)格中，這種零能量模式會通過網(wǎng)格擴展出去，從而產(chǎn)生無意義的結(jié)果，這就是所謂的沙漏問題。可在ABAQUS中對減縮積分單元引入少量的人工“沙漏剛度”以限制沙漏模式的擴展。當模型中有更多的單元時，這種剛度在限制沙漏模式方面是更有效的，這意味著只要采用合理的細網(wǎng)格，線性減縮積分單元會給出可接

11、受的結(jié)果。對許多應(yīng)用而言，采用細網(wǎng)格的線性減縮積分單元所產(chǎn)生的誤差是在一個可接受的范圍內(nèi)的。這個結(jié)果說明當用這類單元來模擬承受彎曲載荷的結(jié)構(gòu)時，在厚度方向上至少應(yīng)采用四個單元。當在梁的厚度方向只有一個線性減縮積分單元時，所有的積分點都位于中性軸上，從而該模型將不能抵抗彎曲載荷。(這種情況在表42中用*標出)。因為線性減縮積分單元對變形的魯棒性，因此可在變形很大的模擬中采用剖分較細的此類單元。二次減縮積分單元也有沙漏模式。然而在正常網(wǎng)格中這種模式幾乎不可能擴展出去，并且在網(wǎng)格足夠細時基本上不會造成什么問題。由于沙漏問題,C3D20R單元的16網(wǎng)格計算發(fā)散；若在寬度方向上變?yōu)閮蓚€單元，即26網(wǎng)格，

12、就不會發(fā)散，但對于更細的網(wǎng)格，即便在寬度方向上只有一個單元也不會發(fā)散。即使在復(fù)雜應(yīng)狀態(tài)下，二次減縮積分單元對鎖閉并不敏感。因此一般來說，除了大應(yīng)變的大位移問題和一些接觸分析問題外，這些單元是應(yīng)力/位移模擬最佳選擇。非協(xié)調(diào)單元非協(xié)調(diào)單元是克服完全積分的一階單元的剪力鎖閉問題的一種嘗試。既然剪力鎖閉是由于單元的位移場不能模擬與彎曲相關(guān)的運動學(xué)而引起的，那么可以考慮把增強單元變形梯度的附加自由度引入到一階單元中去。對變形梯度的加強使一階單元在單元中的變形梯度呈線性變化，如圖49(a)所示。在標準單元列式中，變形梯度在單元中是常量，見圖49(b)所示，故標準單元列式必然導(dǎo)致與剪力鎖閉相關(guān)的非零剪切應(yīng)力

13、。變形梯度的增強完全是在單元內(nèi)部的，并且與邊節(jié)點無關(guān)。與直接增強位移場的非協(xié)調(diào)模式的單元列式不同，在ABAQUS中所采用的列式不會導(dǎo)致圖410那樣的兩個單元交界處的重疊或裂隙，進而ABAQUS中的非協(xié)調(diào)單元列式很容易拓廣到非線性有限應(yīng)變模擬以及某些難以采用增強位移場的場合。圖49 位移梯度的變化 (a) 非協(xié)調(diào)單元（增強位移梯度）和 (b) 采用標準構(gòu)造的一階單元圖410 利用增強位移場而不是增強位移梯度所導(dǎo)致的非協(xié)調(diào)單元的可能運動非協(xié)調(diào)性。ABAQUS對非協(xié)調(diào)單元采用了增強位移梯度形式在彎曲問題中，非協(xié)調(diào)元可得到與二次單元相當?shù)慕Y(jié)果，而計算費用卻明顯降低。但非協(xié)調(diào)元對單元扭曲很敏感。圖411

14、表示用有意扭歪的非協(xié)調(diào)單元來模擬懸臂梁：一種情況是“平行”扭歪，另一種是“交錯”扭歪。圖412畫出了懸臂梁模型的自由端位移相對于單元扭歪水平的曲線。圖中比較了三類平面應(yīng)力單元：完全積分的線性單元、減縮積分的二次單元以及線性非協(xié)調(diào)單元。象所預(yù)見的那樣，完全積分的線性單元的結(jié)果較差。而減縮積分的二次單元則給出了很好的結(jié)果，直到單元扭歪得很嚴重時其結(jié)果才會惡化。當非協(xié)調(diào)單元是矩形時，即使在懸臂的厚度方向只有一個單元，也能給出與理論值十分相近的結(jié)果。但是即使很小的交錯扭歪也使單元過于剛硬。平行扭歪也降低了單元的精度，但程度較小。圖 411 非協(xié)調(diào)單元的扭歪網(wǎng)格圖412 平行和交錯扭曲對非協(xié)調(diào)單元的影響

15、非協(xié)調(diào)單元之所以有用，是因為如果應(yīng)用得當，則在很低花費時仍可得到較高的精度。但是必須注意保證單元扭歪是非常小的，然而當網(wǎng)格較復(fù)雜時這一點是很難保證的；因此，對于具有這種幾何形狀的模型，應(yīng)再次考慮應(yīng)減縮積分的二次單元，因為它們對網(wǎng)格扭歪并不敏感。雜交單元ABAQUS中的每一種實體單元，包括所有的減縮積分單元和非協(xié)調(diào)單元，都還有雜交單元列式。雜交單元名字前標有字母“H”。對不可壓縮材料（泊松比0.5）或非常接近于不可壓縮的材料（泊松比0.495）問題需采用雜交單元。橡膠就是具有不可壓縮性質(zhì)的材料的例子。不能用常規(guī)單元來模擬不可壓縮材料的響應(yīng)（除了平面應(yīng)力情況），這是因為在單元中的壓應(yīng)力是不確定的。

16、現(xiàn)在考慮均勻靜水壓力作用下的一個 圖413 在靜水壓力下的單元單元（圖413）。 如果材料不可壓縮，其體積在載荷作用下并不改變。因此壓應(yīng)力不能由節(jié)點位移計算，對于具有不可壓縮材料性質(zhì)的單元，一個純位移列式是不適定的。雜交單元包含一個可直接確定單元壓應(yīng)力的附加自由度。其節(jié)點位移只用來計算偏（剪）應(yīng)變和偏應(yīng)力。在第8章將給出對橡膠材料的更詳細的描述。4.2 選擇實體單元對某一具體的模擬計算，如果要想以合理的費用達到精確的結(jié)果，則正確地選擇單元是非常關(guān)鍵的。在使用ABAQUS的經(jīng)驗日益豐富時，毫無疑問每個用戶會建立起自己的單元選擇準則來解決具體問題，但若是剛開始使用ABAQUS，則可考慮下面的建議：

17、 l 如果不需要模擬非常大的應(yīng)變或進行復(fù)雜的需改變接觸條件的問題，則應(yīng)采用二次減縮積分單元（CAX8R，CPE8R，CPS8R，C3D20R等）。l 如果存在應(yīng)力集中，則應(yīng)在局部采用二次完全積分單元（CAX8，CPE8，CPS8，C3D20等）。它們可用最低費用提供應(yīng)力梯度最好的解答。l 涉及到有非常大的網(wǎng)格扭曲問題（大應(yīng)變分析），建議采用細網(wǎng)格剖分的線性減縮積分單元（CAX4R，CPE4R，CPS4R，C3D8R等）。l 對接觸問題采用線性減縮積分單元或細分的非協(xié)調(diào)單元（CAX4I，CPE4I，CPS4II，C3D8I等）。詳見第11章。l 盡可能地減少網(wǎng)格形狀的扭歪，形狀扭歪的粗網(wǎng)格線性單

18、元會導(dǎo)致非常差的結(jié)果。l 對三維問題應(yīng)盡可能采用六面體單元。它們以最小費用給出最好的結(jié)果。當幾何形狀復(fù)雜時，完全采用六面體單元構(gòu)造網(wǎng)格往往難以辦到；因此可能需要采用楔形和四面體單元。眾所周知，這些形狀的一階單元，如C3D6和C3D4，是較差的單元；若要取得較好的精度，需剖分很細的網(wǎng)格，因此，只有在為了完成網(wǎng)格建模而萬不得已的情況下才會應(yīng)用這些單元，即使如此，這些單元也應(yīng)遠離精度要求較高的區(qū)域。l 一些前處理程序包含了自由網(wǎng)格算法，它們可用四面體單元構(gòu)造任意形狀的網(wǎng)格。只要采用二次四面體單元（C3D10），除了接觸問題，其結(jié)果對小位移問題應(yīng)該是合理的。C3D10單元的修正單元C3D10M對大變形

19、問題、接觸問題有魯棒性，并表現(xiàn)出最小剪切和體積鎖閉性質(zhì)。但無論采用何種四面體單元，計算所花費的時間都多于采用相應(yīng)密度的六面體單元。建議不采用只包含線性四面體單元（C3D4）的網(wǎng)格，因為如果不用大量的單元其結(jié)果將是不準確的。4.3 例題：連接環(huán)在此例中將用三維實體單元模擬如圖414所示的連接環(huán)。連接環(huán)的一端被牢固地焊接在粗大的結(jié)構(gòu)上，另一端包含一個孔。使用時，環(huán)孔要插入一個栓。要求確定30kN的載荷在2軸反方向作用于栓時環(huán)的撓度。為簡化問題可作如下的假定：l 在模型中不考慮復(fù)雜的栓環(huán)相互作用，只是在孔的下半環(huán)作用一個分布壓力來對連接環(huán)施加載荷（見圖414）。l 忽略孔環(huán)向壓力大小的變化，采用均勻

20、壓力。l 所施加的均勻壓力的大小是50MPa（30kN/(20.015m0.02m)）。圖414 連接環(huán)示意圖前處理應(yīng)用ABAQUS/CAE建模我們這一節(jié)討論怎樣應(yīng)用ABAQUS/CAE建立連接環(huán)的分析模型，本手冊聯(lián)機版的A.2節(jié)提供了連接環(huán)命令執(zhí)行文件（replay file）,若在ABAQUS/CAE中運行該文件，就會生成本題的完整的分析模型。如果按下面給出的操作步驟去做遇到困難或希望檢查所做工作，則可運行該文件，在附錄A中給出了怎樣提取和執(zhí)行該文件的操作說明。若沒有ABAQUS/CAE或其它前處理器，此例的輸入文件只能通過手工生成，詳情見ABAQUS/Standard入門指南：關(guān)鍵字版的

21、4.3節(jié)。啟動 ABAQUS/CAE要啟動ABAQUS/CAE則鍵入abaqus cae在操作系統(tǒng)中，abaqus是一條命令，它在用戶的系統(tǒng)中運行ABAQUS。下一步是從出現(xiàn)的 Start Session 對話框中選擇 Creat Model Database。定義模型的幾何形狀建立模型的第一步總是定義它的幾何形狀。在例中，將建立一個具有拉伸基本特征的三維變形實體。其步驟是先繪制出連接環(huán)的二維輪廓圖，然后進行拉伸。在建模前需要確定使用那種量綱。建議用米、秒和千克的SI量綱，但如果愿意使用另一種量綱也可以。創(chuàng)建部件1 從工具欄的Module表中選擇Part項進入部件（Part）模塊。2 從主菜單

22、欄中選擇PartCreate來創(chuàng)建一個新部件。部件命名為Lug，并接收Create Part對話框中三維、變形實體和拉伸基本特征的默認設(shè)置，在Approximate size文本欄中鍵入0.250，此值是部件最大尺寸的兩倍，點擊Continue退出Create Part對話框。3 用圖414中給定的尺寸繪制連接環(huán)的輪廓圖，可用下面的方法：a. 使用繪圖工具箱右上角的Create Line: Connected工具，創(chuàng)建一個長0.100m寬0.050m的矩形，矩形的右端應(yīng)開口，如圖415所示。建議使用顯示在視圖左上角的光標X和Y方向的坐標值來幫助點的定位。圖415 開口矩形注：為了使示意圖更加清

23、楚，這一節(jié)中的圖都繪出了尺寸標注。和工具分別用于標注模型各點間的水平與垂直方向的尺寸。從主菜單中選擇AddDimension也可以獲取這些工具。選擇主菜單中的EditDimensions或使用Edit Dimension Value工具，可編輯任何尺寸。當提示哪個角點要更改時，要選擇適當?shù)捻旤c（用shift鍵和鼠標點擊可選擇多個頂點）。選擇完所有希望更改的頂點后，在提示區(qū)域點擊Done進入選擇，然后更新尺寸值。b. 使用Create Arc: Center and 2 Endpoints 工具 ，增加一個半圓來閉合輪廓線，如圖416所示。圖中已指出半圓的圓心，選擇矩形開口端的兩個頂點作為圓弧的

24、兩個端點，圓弧始于頂端角點。c. 使用Create Circle: Center and Perimeter工具 ，畫一個半徑為0.015m的圓，如圖417所示。圓的圓心應(yīng)與上步建立的圓弧的圓心一致，如圖顯示，放置一個距圓心的水平距離為0.015m的圓周點。如有需要，可使用Create Dimension: Radial 和 Edit Dimension Value 工具修改半徑值。圖416 圓的端點圖417 連接環(huán)上的孔d. 完成繪制輪廓圖后，在提示區(qū)點擊Done。Edit Base Extrusion對話框彈出，為了完成部件的定義，必須給出輪廓被拉伸的長度。e. 在對話框中鍵入拉伸長度0.

25、020 m。ABAQUS/CAE 退出繪圖環(huán)境，并顯示部件。定義材料和截面屬性建立模型的下一步包括給部件定義材料和截面屬性并賦于部件，變形體的每個區(qū)域必須給定一個含有材料定義的截面屬性。在這個模型中，給出單個線彈性材料屬性，其彈性模量 = 200 GPa，泊松比 = 0.3。定義材料屬性的步驟：1 從工具欄的Module列表中選擇Property進入屬性模塊.2 從主菜單中選擇MaterialCreate 創(chuàng)建一個新材料的定義，并命名為Steel，點擊Continue 。3 在彈出的Edit Material對話框中選擇MechanicalElasticityElastic，在Youngs M

26、odulus域輸入200.0E9，在Poissons Ratio域輸入0.3，點擊OK。定義截面屬性1. 從主菜單中選擇SectionCreate來創(chuàng)建一個新的截面定義。然后接收默認的實體、均勻截面類型；并把截面命名為LugSection，點擊Continue。2. 在彈出的Edit Section 對話框中接收Steel材料，Plane stress/strain thickness為1.0，點擊OK。指定截面屬性1. 從主菜單中選擇 AssignSection來賦值截面性質(zhì)。2. 選擇整個部件為賦值的區(qū)域。當部件被加亮?xí)r，點擊Done 。3. 在彈出的Assign Section 對話框中

27、，接受LugSection為截面定義，點擊OK。生成裝配件裝配件包含了有限單元模型中的所有幾何形體，每個ABAQUS/CAE 模型只有唯一的裝配件。盡管已經(jīng)創(chuàng)建了部件，但開始時裝配件是空的，必須在Assembly模塊的操作中創(chuàng)建一個部件的副本。創(chuàng)建部件的副本:1 從工具欄的Module列表中選擇Assembly項進入Assembly模塊。2從主菜單條中選擇InstanceCreate來創(chuàng)建部件中的一個副本，在彈出的 Create Instance 對話框的Parts列表中選擇Lug ，并點擊OK。模型的坐標方向為默認方向，整體坐標1軸沿環(huán)的長度方向，整體坐標2軸是垂直方向，整體坐標3軸位于厚度

28、方向。定義分析步和指定輸出要求下面將定義分析步，由于部件間的相互作用、荷載和邊界條件都與分析步相關(guān)聯(lián)，所以必須先定義分析步，對于本例，將定義一個常規(guī)靜力分析步。另外，要為分析指定輸出要求。這些要求包括將結(jié)果輸出到輸出數(shù)據(jù)庫文件(.odb)和數(shù)據(jù)文件(.dat)。定義分析步的步驟:1 從工具欄的Module表中選擇Step項進入分析步(Step)模塊。2從主菜單中選擇StepCreate 創(chuàng)建一個分析步。在出現(xiàn)的Create Step對話框中命名此分析步為LugLoad，并接收General過程類型。從提供的過程選項列表中接收Static，General，點擊Continue。3在彈出的Edit

29、 Step對話框中鍵入下敘分析步描述：Apply uniform pressure to the hole，在接收缺省設(shè)置后點擊OK。由于要使用可視化模塊進行結(jié)果的后處理，所以必須指定欲輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)到結(jié)果數(shù)據(jù)庫文件中。對于每個過程類型，默認的歷史輸出和場輸出請求被ABAQUS/CAE自動選擇。編輯這些要求，使得僅有位移、應(yīng)力和反力作為場數(shù)據(jù)被寫入輸出數(shù)據(jù)庫文件。指定輸出結(jié)果到.odb文件:1從主菜單中選擇OutputField Output RequestsManager。在Field Output Requests Manager中在標有LugLoad的列中選擇標有Created的單元（若

30、它沒有被選）。在對話框底部顯示出已為這個分析步驟預(yù)先設(shè)置的默認場輸出結(jié)果請求的信息。2 在對話框的右邊，點擊Edit可改變場輸出的要求，此時會彈出Edit Field Output Request對話框：a. 點擊靠近Stresses的箭頭來顯示有效的應(yīng)力輸出表，接收默認的應(yīng)力分量和不變量選擇。b. 在Forces/Reactions中，只要求輸出反力結(jié)果(缺省)，要分別關(guān)閉集中力和力矩的輸出項。c. 關(guān)閉Strains 和Contact 項。d. 接收默認的Displacement/Velocity/Acceleration 輸出。e. 點擊OK，然后點擊Dismiss 來關(guān)閉Field O

31、utput Requests Manager對話框。3通過選擇OutputHistory Output RequestsManager關(guān)閉歷史輸出結(jié)果。在History Output Requests Manager中在標有LugLoad的列中選擇標有Created的單元。在對話框的底部點擊Delete，接著在出現(xiàn)的警告對話框中點擊Yes，最后點擊Dismiss 關(guān)閉History Output Requests Manager。在施加載荷時，會要求確定連接環(huán)的撓度。一個簡單的方法是將模型中所有的撓度都輸出出來。但是環(huán)中最大撓度可能只發(fā)生在孔的底部，即受載部位。而且只對2方向的位移 (U2)

32、感興趣。所以應(yīng)要求只輸出孔底部的豎向位移。一個很好的實踐是檢查約束反力是否與所加載荷平衡，指定變量RF可輸出所有反力，并限制輸出為受約束區(qū)域。另外，應(yīng)要求輸出模型的約束端的應(yīng)力張量(變量S)和米賽斯應(yīng)力(變量MISES)。輸出結(jié)果的請求必須是針對一個幾何形體集進行控制輸出，我們能方便地定義一個含有模型固支端的幾何形體組，然而為了創(chuàng)建孔底部的幾何形體集必須要對部件幾何形體(特別是分區(qū)操作)進行額外的修正。由于稍后為了幫助生成網(wǎng)格要引進分區(qū)概念，組的創(chuàng)建被延遲，直到網(wǎng)格生成模塊中模型被分區(qū)。正如前面所提的一樣，當前版本的ABAQUS/CAE不能直接要求輸出結(jié)果表，因而Keywords Editor

33、 將被用于增加必要的輸出結(jié)果要求，在作業(yè)模塊中用Keywords Editor將生成這些輸出結(jié)果要求。指定邊界條件和施加荷載在模型中，連接環(huán)的左端需要在三個方向加以約束，該區(qū)域是與母體連結(jié)處（見圖418），在ABAQUS/CAE中邊界條件是施加在部件上，而不是施加于有限單元網(wǎng)格上，邊界條件與部件之間的這種關(guān)系使得變化網(wǎng)格時不需要重新指定邊界條件。荷載的定義與此方法相同。圖418 連接環(huán)上的固支端指定邊界條件的步驟:1 從工具欄的Module列表中選擇Load項進入荷載模塊。2從主菜單中選擇BCCreate來指定模型的邊界條件，在彈出的Create Boundary Condition對話框中，

34、命名邊界條件為Fix left end，并選擇LugLoad作為它所施加的分析步。選擇分析類別為Mechanical、邊界約束類型為Symmetry/Antisymmetry/Encastre，并點擊Continue。3在以下步驟中，可能需要改變視角使得選擇更加容易。從主菜單中選擇ViewRotate (或使用工具欄中的 工具)，并在視窗中的虛擬軌跡球上拖動光標。視角的旋轉(zhuǎn)是交互式的；試著在虛擬軌跡球的內(nèi)部和外部拖動光標來體會到兩者的差別。4用光標選擇連接環(huán)的左端（見圖418），當視窗中所選區(qū)域加亮?xí)r，在提示區(qū)點擊Done，并在彈出的Edit Boundary Condition對話框中激活E

35、NCASTRE，點擊OK來施加邊界條件。出現(xiàn)在表面上的箭頭標明了所約束的自由度，固支邊界條件包含了給定區(qū)域所有可動結(jié)構(gòu)自由度；在完成部件網(wǎng)格剖分和生成作業(yè)后，這些約束將施加在箭頭所在區(qū)域的所有節(jié)點上。連接環(huán)在孔的下半部承受了50MPa 的均布壓力，為了正確施加荷載，部件必須被分區(qū)（例如：進行分割），使得孔分為上半部和下半部。使用分區(qū)工具箱，可把部件和組合件分割成若干區(qū)域，采用分區(qū)有多種原因；它通常是用來了指定材料邊界、標明荷載和約束的位置（如此例）和細化網(wǎng)格的。應(yīng)用分區(qū)細化網(wǎng)格的例題將在下一節(jié)討論。有關(guān)分區(qū)的更多信息可查看ABAQUS/CAE用戶手冊43章：分區(qū)工具箱。施加壓力荷載:1使用Pa

36、rtition Cell: Define Cutting Plane工具把部件一分為二。這里應(yīng)用3 points法定義分割平面。當提示選擇點時，ABAQUS/CAE會加亮能選擇的點：頂點、基準點、邊中點和圓弧的圓心。本例中定義分割面的點如圖419所示。可以旋轉(zhuǎn)視角使得選擇操作更為方便。圖419 定義分割面的點選完點后，在提示區(qū)點擊Create Partition。2從主菜單中選擇LoadCreate定義壓力荷載，在彈出的Create Load對話框中，命名荷載為Pressure load，并選擇LugLoad作為它所施加的分析步。接收分析類別為Mechanical和荷載類型為Pressure，

37、并點擊Continue。3用光標選擇與孔下半部表面，圖420中它被加亮。面被選擇停當之后，在提示區(qū)點擊Done。4在對話框中輸入值為5.0E7的均布壓力，點擊OK施加荷載。箭頭出現(xiàn)在面的各節(jié)點上，標明了已施加的荷載。圖420 施加荷載面網(wǎng)格設(shè)計：分區(qū)、生成網(wǎng)格和定義幾何形體集在建立一個具體問題的網(wǎng)格之前，需要考慮所采用的單元類型。對本例而言采用二次單元是合理的網(wǎng)格設(shè)計，若用線性減縮積分單元則可能是很不合適的。所以本例采用減縮積分的20節(jié)點塊體單元（C3D20R）。單元類型選擇之后，可對連接環(huán)進行網(wǎng)格設(shè)計。本例的網(wǎng)格設(shè)計中最重要的是決定環(huán)孔周圍應(yīng)當采用多少單元。一種可能的網(wǎng)格劃分方案如圖421所

38、示。圖421 對連接環(huán)建議采用的C3D20R單元網(wǎng)格設(shè)計網(wǎng)格時應(yīng)考慮的另一件事情是所需的結(jié)果類型。圖421中的網(wǎng)格相當粗糙，因此不可能產(chǎn)生準確的應(yīng)力。象本例這樣的問題，每90度圓弧四個二次單元是所需的最小單元數(shù)目；建議使用兩倍于這個數(shù)目的單元數(shù)可得到應(yīng)力結(jié)果的合適精度。然而，該網(wǎng)格應(yīng)當能適應(yīng)連接環(huán)在載荷下變形的整體水平，而這點是需要用戶自己決定的。模擬中增加網(wǎng)格密度的影響將在4.4節(jié)網(wǎng)格收斂中討論。ABAQUS/CAE提供了多種網(wǎng)格生成技術(shù)去生成不同拓撲結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格。不同的網(wǎng)格生成技術(shù)提供了不同水平的自動化和用戶控制水準，以下三種類型的網(wǎng)格生成技術(shù)是有效的：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成適

39、用于預(yù)先設(shè)置網(wǎng)格生成形式的特殊拓撲結(jié)構(gòu)模型，然而，用這種技術(shù)生成復(fù)雜的模型的網(wǎng)格時，一般須把它分割成簡單的區(qū)域。掃掠網(wǎng)格生成技術(shù)掃掠網(wǎng)格生成是沿掃掠路徑拉伸生成網(wǎng)格或繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)生成網(wǎng)格，和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成一樣，掃掠網(wǎng)格生成只限于具有特殊拓撲和幾何形體的模型。自由網(wǎng)格生成技術(shù)自由網(wǎng)格生成是最為靈活的網(wǎng)格生成技術(shù)，它沒有預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)格生成形式，幾乎適用于任意形狀的模型。在進入Mesh模塊時，ABAQUS/CAE根據(jù)將采用的網(wǎng)格生成方法，用顏色代碼標定模型的區(qū)域：綠色區(qū)域表示用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)生成網(wǎng)格。黃色區(qū)域表示用掃掠網(wǎng)格生成技術(shù)生成網(wǎng)格。粉紅色區(qū)域表示用自由網(wǎng)格生成技術(shù)生成網(wǎng)格。桔紅色區(qū)域表示

40、不能使用默認單元類型生成網(wǎng)格，它必須被分區(qū)。本例中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，使用這種網(wǎng)格生成技術(shù)時，第一步必須是對模型分區(qū)，分區(qū)完成后，一個全局網(wǎng)格剖分尺度將被指定，網(wǎng)格將被生成，最后，生成輸出結(jié)果請求的幾何形體組。對連接環(huán)分區(qū):1從工具欄的Module列表中選擇Mesh項進入網(wǎng)格生成模塊。部件最初為黃色，這表明若采用網(wǎng)格控制的默認設(shè)置，默認的六面體網(wǎng)格只能由掃掠網(wǎng)格生成技術(shù)生成。若要使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)，則必須進行二次分區(qū)。第一次分區(qū)的作用允許使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)，第二次分區(qū)則是為了提高網(wǎng)格生成的整體品質(zhì)。2使用圖422（用Shift+Click同時選擇所有區(qū)域）中三點生成的分割平面垂直來分割

41、連接環(huán)，整個連接環(huán)形成四個分區(qū)。圖422 第一次分區(qū)允許映射生成網(wǎng)格3從主菜單選擇ToolsDatum，用Offset from point方法創(chuàng)建一個距連接環(huán)左端0.075m的基準點（如圖423所示）4通過創(chuàng)建的基準點和連接環(huán)中心線的垂直線來定義分割平面（如圖423所示），用此平面作為垂直分剖面進行第二次分區(qū)。分區(qū)操作完成后，部件所有區(qū)域都應(yīng)變?yōu)榫G色，這表明基于當前的網(wǎng)格控制要求，已經(jīng)可以在部件的所有區(qū)域使用機構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)。圖423 第二次分區(qū)提高網(wǎng)格的整體品質(zhì)部件的整體單元剖分尺度的賦值和生成網(wǎng)格:1從主菜單中選擇SeedInstance，指定整體的單元剖分尺寸的目標為0.007，于是

42、在所有的邊上顯示剖分符號，這些剖分符號在ABAQUS中稱為預(yù)設(shè)剖分點（seed）。2從主菜單中選擇MeshElement Type為部件選擇單元類型，由于已經(jīng)進行分區(qū)，部件由幾個區(qū)域組成，操作中需要考慮這個現(xiàn)狀。a. 用光標在整個部件周圍畫一個方框，因此選擇了部件的所有區(qū)域，然后在提示區(qū)點擊Done。b. 在彈出的Element Type對話框中，選擇單元庫為Standard，單元族為3D Stress，幾何階次為Quadratic和單元為Hex, Reduced integration，點擊OK接受單元類型為C3D20R的選擇。3. 從主菜單中選擇MeshInstance，在提示區(qū)點擊Yes

43、執(zhí)行對部件副本的網(wǎng)格剖分。我們現(xiàn)在把注意力返回到創(chuàng)建幾何形體集的問題上來，它是為了控制模型中所選區(qū)域（特別是孔底部和連接環(huán)的固支端）的輸出結(jié)果而提出的。由于部件已被分區(qū)，創(chuàng)建這些輸出控制集是容易的。提示：為了完成下面的任務(wù)，可能要暫時隱去有限元網(wǎng)格，欲達到這個目的，可從主菜單選擇ViewAssembly Display Options，在Assembly Display Options對話框的Mesh表頁中關(guān)閉Show native mesh即可。創(chuàng)建幾何形體集:1從主菜單中選擇ToolsSetCreate，在連接環(huán)的固端創(chuàng)建一個名為BuiltIn的幾何形體集。由于已進行分區(qū)，現(xiàn)在有兩個區(qū)域與

44、此相關(guān)，兩者都必須被選中（用Shift+Click選擇第二個區(qū)域）。即定義了所需的集，如圖424所示，然后在提示區(qū)點擊Done。圖424 BuiltIn幾何形體集提示：通過選擇主菜單的ToolsSetManager項，并在Set Manager對話框中雙擊組名，在視圖中可觀察到被選的幾何形體集被加亮，如有需要，可在這里進行編輯。2. 創(chuàng)建名為HoleBot第二個幾何形體集，它是孔底部的一條直線，如圖425所示。圖425 HoleBot幾何形體集生成、運行和監(jiān)控一個作業(yè)現(xiàn)在完成建模所剩下的唯一工作是定義一個作業(yè)和用Keywords Editor增加輸出要求，就可以在ABAQUS/CAE中提交這個

45、作業(yè)，并交互式地監(jiān)控求解過程。在繼續(xù)操作之前，通過選擇主菜單中的ModelRenameModel-1先將模型重新命名為Elastic，這個模型將作為一個基礎(chǔ)稍后被用于第8章（“材料”）中。生成一個作業(yè)的步驟：1從工具欄的Module列表中選擇Job項進入作業(yè)模塊。2選擇主菜單中的JobManager來打開Job Manager，這個管理器的應(yīng)用將會使得幾個作業(yè)的相關(guān)操作更為方便。3在Job Manager中點擊Create創(chuàng)建一個名為Lug的作業(yè)，然后點擊Continue。4在Edit Job對話框中鍵入以下描述：Linear Elastic Steel Connecting Lug。5接收缺

46、省的作業(yè)設(shè)置，并點擊OK。用Keywords Editor 增加打印輸出請求：從主菜單中選擇ModelEdit KeywordsElastic，彈出Keywords Editor對話框。用對話框右邊的滾動條找到*EL PRINT和*NODE PRINT兩選項所在塊，和以前一樣，首先將光標置于文本行的末端，再鍵入數(shù)據(jù)。對于每個選項，修改輸出結(jié)果的頻率值（設(shè)置為1），增加所需參數(shù)，并按Enter鍵產(chǎn)生新的一行，然后在此行中定義輸出結(jié)果變量名。在完成輸入與修改后，選項塊的內(nèi)容應(yīng)和下面的類似：*El Print, freq=1, elset=BuiltInS, MISES*Node Print, fr

47、eq=1, nset=BuiltIn, totals=yesRF,因為孔底部的豎向位移的輸出請求需要一個單獨的*NODE PRINT 選項塊， 故可選擇當前的*NODE PRINT塊，點擊Add After ，在文本中加入一個空塊，輸入下面內(nèi)容即可：*Node Print, freq=1, nset=HoleBotU2,點擊OK 保存所做的修改。最后把模型保存在名為Lug.cae的模型數(shù)據(jù)庫文件中。運行作業(yè):1. 選擇Job Manager,中的Lug作業(yè)。2. 在Job Manager右邊的按鈕里點擊Submit。出現(xiàn)一個對話框警告用戶：對于LugLoad分析步?jīng)]有歷史輸出結(jié)果的要求，可不予

48、理睬，點擊Yes繼續(xù)提交作業(yè)3. 點擊Monitor打開Lug Monitor對話框。在對話框的頂部有一個求解過程的概要。這個概要隨著分析進程會不斷地更新，分析過程中遇到的任何錯誤或警告都會在適當?shù)谋眄撝袠俗⒊鰜?，一旦遇到錯誤，就要修改模型并再一次運行。一定要研究引起任一警告信息的原因，并采取適當?shù)拇胧?，前面已提及過，有些警告信息可安全地忽略。而另一些需要采取措施。4. 當所有的作業(yè)執(zhí)行完成后，點擊Dismiss關(guān)閉Lug Monitor對話框。 結(jié)果輸出作業(yè)被成功完成后，需查看提出請求的三個輸出結(jié)果表，在數(shù)據(jù)文件的尾部（輸入文件和其它信息之后）可找到它們。檢查輸出數(shù)據(jù)時，注意到那些用前綴AS

49、SEMBLY_ 擴展了的組名，它們都是ASSEMBLY_BUILTIN對象。例如，Builtin集在 .dat文件中就是ASSEMBLY_BUILTIN。 下面給出了一部分單元應(yīng)力表，單元數(shù)據(jù)是單元積分點上的數(shù)據(jù)。與給定單元相關(guān)的積分點記錄在PT標注列。這個表的底部列有這組單元的最小和最大應(yīng)力信息。結(jié)果表明固定端的最大Mises應(yīng)力約為350 MPa。如果用戶的網(wǎng)格和本例不同，結(jié)果可能有些微小的差別。THE FOLLOWING TABLE IS PRINTED AT THE INTEGRATION POINTS FOR ELEMENT TYPE C3D20R AND ELEMENT SET A

50、SSEMBLY_BUILTIN ELEMENT PT FOOT- S11 S22 S33 S12 S13 S23 MISES NOTE 41 1 3.3336E+08 -4.4848E+06 1.2583E+07 -6.9299E+06 9.5719E+06 1.2665E+04 3.3028E+08 41 2 2.7711E+08 1.3775E+07 1.4536E+07 -3.5542E+07 7.9636E+06 5.8754E+05 2.7042E+08 41 3 3.8349E+08 9.3018E+07 9.7659E+07 -7.3515E+07 2.7302E+07 3.83

51、78E+05 3.1859E+08 41 4 2.5857E+08 5.2601E+07 5.6995E+07 -4.2494E+07 2.2186E+07 3.1821E+05 2.2007E+08 41 5 3.2028E+08 -8.5127E+06 -6.7491E+06 -3.2637E+06 -4.1570E+06 8.6885E+05 3.2804E+08 41 6 2.6450E+08 7.0531E+06 -3.2430E+06 -3.1122E+07 -1.7176E+06 1.1664E+06 2.6824E+08 41 7 4.1731E+08 1.0726E+08 1

52、.0827E+08 -6.6785E+07 6.5240E+07 2.8119E+06 3.4927E+08 41 8 2.9179E+08 6.5814E+07 6.7714E+07 -3.5740E+07 5.2788E+07 2.6720E+06 2.5070E+08 . . 264 1 -5.7707E+07 -1.0789E+07 -1.6445E+05 -2.6650E+07 -1.0337E+05 1.6486E+06 7.0367E+07 264 2 -1.5392E+07 -3.1051E+06 -1.0219E+05 -2.5873E+07 -1.8472E+04 1.62

53、12E+06 4.7042E+07 264 3 -6.4705E+07 -2.2906E+07 -1.7053E+07 -1.1153E+07 -1.2576E+07 1.3761E+06 5.3660E+07 264 4 -1.7244E+07 -6.2746E+06 -4.5860E+06 -1.0312E+07 -3.3642E+06 1.3693E+06 2.2367E+07 264 5 -6.0641E+07 -1.2849E+07 -4.2382E+06 -3.1081E+07 -2.3127E+06 2.1089E+06 7.5479E+07 264 6 -1.6159E+07 -3.6232E+06 -1.1786E+06 -3.0307E+07 -6.1665E+05 2.0877E+06 5.4438E+07 264 7 -5.6240E+07 -1.9491E+07 -1.4180E+07 -1.8029E+07 -5.44