懸臂梁—有限元ABAQUS線性靜力學(xué)分析實(shí)例分解

1、線性靜力學(xué)分析實(shí)例一一以懸臂梁為例線性靜力學(xué)問題是簡(jiǎn)單且常見的有限元分析類型，不涉及任何非線性（材料非線性、幾何非線性、接觸等），也不考慮慣性及時(shí)間相關(guān)的材料屬性。在ABAQUS中，該類問題通常采用靜態(tài)通用（Static,Genera）分析步或靜態(tài)線性攝動(dòng)（Static,Linearperturbation）分析步進(jìn)行分析。線性靜力學(xué)問題很容易求解，往往用戶更關(guān)系的是計(jì)算效率和求解效率，希望在獲得較高精度的前提下盡量縮短計(jì)算時(shí)間，特別是大型模型。這主要取決于網(wǎng)格的劃分，包括種子的設(shè)置、網(wǎng)格控制和單元類型的選取。在一般的分析中，應(yīng)盡量選用精度和效率都較高的二次四邊形/六面體單元，在主要的分析部位

2、設(shè)置較密的種子；若主要分析部位的網(wǎng)格沒有大的扭曲，使用非協(xié)調(diào)單元（如CPS4I、C3D8I）的性價(jià)比很高。對(duì)于復(fù)雜模型，可以采用分割模型的方法劃分二次四邊形/六面體單元；有時(shí)分割過程過于繁瑣，用戶可以采用精度較高的二次三角形/四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。懸臂梁的線性靜力學(xué)分析1.1問題的描述一懸臂梁左端受固定約束，右端自由，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1-1所示，求梁受載后的Mises應(yīng)力、位移分布。材料性質(zhì)：彈性模量E=2e3，泊松比匸-0.3均布載荷：F=103N0.6Mpa20mm第10頁共28頁30mm200mm圖1-1懸臂梁受均布載荷圖1.2啟動(dòng)ABAQUS啟動(dòng)ABAQUS有兩種方法，用戶可以任選一種。

3、（1）在Windows操作系統(tǒng)中單擊“開始”-“程序”-ABAQUS6.10-ABAQUS/CAE。（2）在操作系統(tǒng)的DOS窗口中輸入命令：abaquscae啟動(dòng)ABAQUS/CAE后，在出現(xiàn)的StartSection（開始任務(wù)）對(duì)話框中選擇CreateModelDatabase1.3創(chuàng)建部件在ABAQUS/CAE頂部的環(huán)境欄中，可以看到模塊列表：Module:Part,這表示當(dāng)前處在Part（部件）模塊，在這個(gè)模塊中可以定義模型各部分的幾何形體?？梢詤⒄障旅娌襟E創(chuàng)建懸臂梁的幾何模型。（1）創(chuàng)建部件。對(duì)于如圖1-1所示的懸臂梁模型，可以先畫出梁結(jié)構(gòu)的二維截面（矩形），再通過拉伸得到。單擊左側(cè)工

4、具區(qū)中的（CreatePart）按鈕，或者在主菜單里面選擇Part-Create彈出如圖1-2所示的CreatePart對(duì)話框。Name：BeamModelingSpaceQ3D2DPlanarAxisymmetricTypeOptionsQDeformableDiscreterigidNoneavailableAnalyticalrigidEulerianBaseFeatureShapeTypeQSolid(ExtrusionShellRevolutionWireSweepPointApproximatesize:Continue.Cancel圖1-2CreatePart對(duì)話框在Name（部

5、件名稱）后面輸入Beam,ModelingSpace（模型所在空間）設(shè)為3D,Shape選擇Solid（實(shí)體）,Type采用默認(rèn)的Extrusion,在Approximatesize里面輸入300。單擊Continue.按鈕。注意：如果無法輸入字符，原因可能是當(dāng)前正處于中文輸入法的狀態(tài)，應(yīng)切換到英文輸入法。（2）繪制矩形。ABAQUS/CAE自動(dòng)進(jìn)入繪圖環(huán)境，左側(cè)的工具區(qū)顯示出繪圖工具按鈕，視圖區(qū)內(nèi)顯示柵格，視圖區(qū)正中兩條相互垂直的點(diǎn)劃線即當(dāng)前二維區(qū)域的X軸和丫軸。二者相交于坐標(biāo)原點(diǎn)。選擇繪圖工具箱中的口工具，窗口提示區(qū)顯示Pickastartingcornerfortherectangle-

6、orenterX,Y（選擇矩形的一個(gè)角點(diǎn)，或輸入X,Y的坐標(biāo)），如圖1-3所示。4岡Pickastartingcornerfortherectangle'-orenterXrY:-100Hl<f圖1-3輸入點(diǎn)坐標(biāo)輸入矩形的第一個(gè)點(diǎn)得坐標(biāo)為（-100,10），移動(dòng)光標(biāo)選擇與該店相對(duì)的點(diǎn)得坐標(biāo)為（100,-10），單擊鼠標(biāo)左鍵，矩形就畫出來了。如果在繪制過程中操作有誤，可以單擊繪圖工具箱的撤銷工具丄來撤銷上一步操作，也可以使用刪除工具乂來刪除錯(cuò)誤的幾何圖形，具體操作步驟入校所示。a單擊繪圖工具箱中的刪除工具。b在所繪圖形中選擇要?jiǎng)h除的線或者圖形，ABAQUS/CAE以紅色高亮顯示被選

7、中的對(duì)象。提示：如果想刪除多個(gè)對(duì)象，可以在單擊此對(duì)象的同時(shí)按住Shift鍵，或者按住鼠標(biāo)左鍵不放，在視圖區(qū)中畫出一個(gè)矩形框，選中矩形框中的對(duì)象。如果想取消對(duì)某對(duì)象的選擇，可以在單擊此對(duì)象的同時(shí)按住Ctrl鍵。c在視圖區(qū)單擊鼠標(biāo)中鍵，或者單擊提示區(qū)中的Done按鈕，結(jié)束對(duì)刪除工具上的使用。d根據(jù)需要，重復(fù)a、b、c步驟。注意：在確認(rèn)結(jié)束某一步操作的時(shí)候，一般總是在視圖區(qū)中單擊鼠標(biāo)中鍵，或者單擊窗口底部提示區(qū)的Done按鈕(完成)，一下不再贅述。(3) 由于前面操作中，已經(jīng)選擇了Extrusion類型，在上一步退出后，ABAQUS即彈出“編輯基本拉伸”對(duì)話框。在該窗口中，輸入拉伸尺寸30,如圖1-

8、4所示。然后單擊0K按鈕，視圖區(qū)就出現(xiàn)了懸臂梁的結(jié)構(gòu)圖，如圖1-5所示。圖1-4“編輯基本拉伸”對(duì)話框圖1-5形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)圖(4) 保存模型。在下一步之前，單擊窗口頂部工具欄中的憶按鈕來保存所建立的模型。鍵入希望保存的文件名，ABAQUS/CAE會(huì)自動(dòng)加上后綴.cae=用戶還可以在主菜單中選擇File-Save對(duì)所建立的模型進(jìn)行保存操作。此處把該部件取名為beam。說明：ABAQUS/CAE不會(huì)自動(dòng)保存模型的數(shù)據(jù)，用戶每隔一段時(shí)間自己保存模型。如果由于意外造成系統(tǒng)死機(jī)或者無法自動(dòng)退出ABAQUS/CAE，下次啟動(dòng)時(shí)就會(huì)顯示自動(dòng)恢復(fù)的對(duì)話框，選擇Yes就可以自動(dòng)恢復(fù)尚未保存的數(shù)據(jù)，但是有時(shí)會(huì)

9、因?yàn)榛謴?fù)文件中存在錯(cuò)誤，出現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)失敗，所以建議用戶養(yǎng)成經(jīng)常保存模型的習(xí)慣。1.4創(chuàng)建材料和截面屬性在窗口左上角Module（模塊）列表中選擇Property（特性）功能模塊，按照以下步驟來定義材料。（1）創(chuàng)建材料。單擊工具區(qū)左側(cè)的旦I（CreateMaterial）按鈕，或者在主菜單中選擇Material-Create，彈出EditMaterial對(duì)話框（也可以雙擊左側(cè)模型樹中的Material來完成此操作），如圖1-6所示。圖1-6EditMaterial對(duì)話框在Name（材料名稱）后面輸入Steel,單擊此對(duì)話框中的Mechanical（力學(xué)特性）-Elasticity（彈性）。在數(shù)據(jù)

10、表中設(shè)置Young'sModulus（彈性模量）為2e3,PoissonsRatio（泊松比）為0.3,其余參數(shù)不變，如圖1-7所示，單擊0K按鈕。DataYoung'sModulusPoisson'sRatio12e3Q3圖1-7輸入彈性模量和泊松比說明：在ABAQUS/CAE中，如果希望修改或撤銷已經(jīng)完成的操作，可以在窗口左側(cè)的模型樹中找到此操作，在上面單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Edit或者Delete在繪制二維平面圖時(shí)，可以單擊繪圖工具箱中的巧按鈕來撤銷上一步操作。（2）創(chuàng)建截面屬性。單擊左側(cè)工具區(qū)的國（CreateSection按鈕，或者在主菜單中選擇Section-C

11、reate,彈出CreateSection對(duì)話框（也可以雙擊左側(cè)模型樹中的Section來完成此操作），Name改為BeamSection,保持其他默認(rèn)參數(shù)不變，單擊Continue.按鈕。在彈出的EditSection對(duì)話框（見圖1-8）中，默認(rèn)的參數(shù)（Material:Stee；Type：Solid，HomogeneousPlanestress/strainthickness1）不變，單擊OK按鈕。圖1-8EditSection對(duì)話框（3）給部件賦予截面屬性。單擊左側(cè)工具區(qū)中的蘭I（AssignSection）按鈕，或者在主菜單中選擇Assign-Section，單擊視圖區(qū)中的懸臂梁模型，

12、ABAQUS/CAE以紅色高亮顯示被選中，在視圖區(qū)單擊鼠標(biāo)中鍵，彈出EditSectionAssignment對(duì)話框，如圖1-9所示，單擊0K按鈕。圖1-9EditSectionAssignment對(duì)話框說明：ABAQUS/CAE不把材料屬性直接賦予單元或者幾何實(shí)體，而是首先在截面屬性（Section中定義材料特性，再為每個(gè)部件賦予相應(yīng)的截面屬性。注意：ABAQUS/CAE推薦的建模方法是把整個(gè)數(shù)值模型（如材料、載荷、邊界條件等）都直接定義在幾何模型上，而不是像其他前處理器一樣定義在單元或者節(jié)點(diǎn)上，這樣在修改網(wǎng)格時(shí)不必重新定義材料和邊界條件等模型參數(shù)。這樣在處理復(fù)雜問題時(shí)，可以首先簡(jiǎn)單地劃分粗

13、網(wǎng)格，得到初步的模型結(jié)果，然后再適當(dāng)?shù)膮^(qū)域細(xì)化網(wǎng)格。1.5定義裝配件整個(gè)分析模型是一個(gè)裝配件，前面的Part功能模型中創(chuàng)建的各個(gè)部件將在Assembly功能模塊中裝配起來。具體的操作方式：在窗口左上角Module列表中選擇Assembly（裝配）功能模塊。單擊左側(cè)工具區(qū)的庚（InstaneePart）按鈕，或者在主菜單中選擇Instance-Create（也可以直接單擊左側(cè)模型樹中的Assembly左側(cè)的+號(hào)，然后雙擊其下一層的Instanee來完成此項(xiàng)操作）。在彈出的CreateInstanee對(duì)話框中（見圖1-10），前面創(chuàng)建的部件beam自動(dòng)被選中，默認(rèn)參數(shù)為InstaneeTypeDe

14、pendent（meshonpar），單擊OK按鈕。1.6設(shè)置分析步ABAQUS/CAE會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)初始分析步（Initialstep），可以在其中施加邊界條件，用戶必須自己創(chuàng)建后續(xù)分析步（analysisstep，用來施加載荷。具體操作方法如下。'CreateInstancePartsBeamInstanceType®|Dependent(meshonparIndependent(meshoninstance)Note：TochangeaDependentinstancedmesh,youmustedititspart'smesh.Auto-offsetfromo

15、therinstancesAPPCancel圖1-10CreateInstanee寸話框（1）在窗口左上角的Module列表中選擇Step（分析步）功能模塊。單擊左側(cè)工具區(qū)的Li!（CreateStep）按鈕，或者在主菜單中選擇Step-Create（也可以直接單擊左側(cè)模型樹中的Steps來完成此項(xiàng)操作）。（2）在彈出的CreateStep對(duì)話框中，在Name后面輸入分析步的名稱，此處將默認(rèn)值Step-1改為loadbeam。其余參數(shù)如圖1-11所示（Proceduretype：Genera；選擇StaticGenera），單擊Continue.按鈕。圖1-11CreateStep對(duì)話框（3）

16、在彈出的EditStep對(duì)話框（見圖1-12）中，Description后面改為Loadthetopofthebeam其余參數(shù)都保持默認(rèn)值，單擊OK按鈕，完成操作。圖1-12EditStep對(duì)話框1.7定義邊界條件和載荷在窗口左上角的Module列表中選擇Load（載荷）功能模塊，定義邊界條件和載荷。1施加載荷單擊左側(cè)工具區(qū)的旦（CreateLoad按鈕，或在主菜單中選擇Load-Create（也可以直接單擊左側(cè)模型樹中的Loads來完成此項(xiàng)操作）。在彈出的CreateLoad對(duì)話框中（見圖1-13），在Name后輸入Pressure將TypesforSelectedStep（所選分析步的載荷

17、類型）設(shè)為Pressure（單位面積上的壓力），Step設(shè)為loadbeam單擊Continue.按鈕。TypesforSelectedStep匚oncentratedforceMomentPressureContinue-*CancelCategory。Mechanical<.?Thermal二,Acoustic©FluidElectricalMassdiffusionOtherShelledgeloadSurfacetractionPipepressureBodyforceLineloadGravityBoltload圖1-13CreateLoad對(duì)話框此時(shí)窗口底部的提示區(qū)

18、信息變?yōu)镾electsurfacesfortheload單擊懸臂梁的上表面，ABAQUS/CAE以紅色高亮顯示所選中的表面，在視圖區(qū)中單擊鼠標(biāo)中鍵。在彈出的EditLoad對(duì)話框（見圖1-14），在Magnitude后面輸入壓力103，然后單擊0K按鈕。施加載荷后的懸臂梁模型如圖1-15所示。圖1-14EditLoad對(duì)話框圖1-15施加載荷后的模型說明：載荷類型Pressure的含義是單位面積上的力，正值表示壓力，負(fù)值表示拉力。2定義懸臂梁左側(cè)的固支約束單擊工具區(qū)左側(cè)的（CreateBoundaryCondition）按鈕，或者在主菜單中選擇BC-Create（也可以直接單擊左側(cè)模型樹中的B

19、Cs來完成此操作）。在彈出的CreateBoundaryCondition對(duì)話框中（見圖1-16），在Name后面輸入BC-2,其余參數(shù)都保持默認(rèn)值，單擊Continue.按鈕rGreat已BounckryConditionTyp&sforSelectedSt&pCategory0MechanicalFluidOtherSymm-etry/Antisyrnmetry/Eric-astreDisp怙匚ernent/RotationVeIocity/AngularvelocityAcceleration/Angulara匚匚臺(tái)仙ratin匚cnnectordisplacementC

20、onnectorvelocityConnectoracclrtionCancelContinue.圖1-16CreateBoundaryCondition對(duì)話框此時(shí)窗口底部的提示區(qū)信息變?yōu)镾electregionsfortheboundarycondition選擇懸臂梁左側(cè)的面，ABAQUS/CAE以紅色高亮度的顯示選中的平面，如圖1-17所示，在視圖區(qū)中單擊鼠標(biāo)中鍵。圖1-17選擇施加邊界條件的懸臂梁模型i'EditBoundaryCondkionName：BC-2Typ已Symmetry/Antisymmetry/EncasireStep；InrtialRegion:Picked!

21、©XSYMM£kJl二UR2=UR3二0)OYSYMM(U2=UR1=UR3=0)'?ZSYMM(U3=UR1=UR2=0XASVMM(U2=U3二UR1二0;Abaqus/Stardardonly)YASVMM(U1=U3=UR2=0;Abaqus/Stardardonly)ZASVMM(U1=U2-UR3=氏Abqus/SUndardonly)；PINNED(Lil=U2=U3=0)OKCancel圖1-18EditBoundaryCondition對(duì)話框說明：施加邊界條件時(shí)，要準(zhǔn)確地選中要選擇的邊界面。如果發(fā)現(xiàn)單擊后懸臂梁其他部分的面被ABAQUS/CAE紅色

22、高亮度顯示，說明剛才選中了顯示的位置。這時(shí)應(yīng)重新單擊正確的位置。提示：為了更好的選中位置，可以借助菜單欄下的工具欄中的（RotateView）按鈕把懸臂梁旋轉(zhuǎn)到合適的位置，單擊鼠標(biāo)中鍵。再根據(jù)窗口下面提示區(qū)的提示，在旋轉(zhuǎn)后的模型中選中需要施加邊界條件的面。在彈出的EditBoundaryCondition對(duì)話框中（見圖1-18），在ENCASTRE前的方框中打鉤，單擊0K按鈕，結(jié)果如圖1-19所示。圖1-19創(chuàng)建邊界條件后的懸臂梁模型1.8劃分網(wǎng)格在窗口左上角的Module列表中選擇Mesh（網(wǎng)格）功能模塊，在窗口頂部的環(huán)境欄中把Object選項(xiàng)設(shè)為Part：beam,如圖1-20所示，即為部

23、件beam劃分網(wǎng)格，而不是為整個(gè)裝配件劃分網(wǎng)格。Module:Mesh卜Model：Model-1TObject:Assembly*part#BeamT圖1-20把劃分網(wǎng)格的對(duì)象設(shè)置為Part:beam說明：如果沒有選擇對(duì)部件劃分網(wǎng)格，而是按照默認(rèn)選項(xiàng)來對(duì)整個(gè)裝配件劃分網(wǎng)格，接下來的操作就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。1設(shè)置網(wǎng)格控制參數(shù)(AssignMesh在主菜單中選擇Mesh-Controls命令，或單擊左側(cè)工具區(qū)的Controls）按鈕，彈出MeshControls（網(wǎng)格控制參數(shù)）對(duì)話框，將ElementShape（單元形狀）設(shè)置為Hex，Technique設(shè)置為Structured,如圖1-21所示

24、，單擊OK按鈕。圖1-21MeshControls對(duì)話框2設(shè)置單元類型單擊左側(cè)工具區(qū)的一(AssignElementType)按鈕，或者在主菜單中選擇Mesh-ElementType彈出ElementType對(duì)話框，如圖1-22所示。1ElementTypeElementLibraryFamily屮StandardExplicit3DStressaAcoustic=1Ge&metiricOrderCohesive»LinearQuadraticContinuumShellTIHexWedgeTetHybridformulationReducedintegrationIncom

25、patiblemodes；ElementControlsHourglassstiffness:®Usedefault0Specify1AViscosity:*Usedefault1SpecifyKinematicsplitii®AveragestrainC1Orthogonal&CentroidC3D81:An8-nodelinearbrick,incompatiblemodei.NotejToselectarelementshapeformeshing,selectMEsh-Contirols1"fromthemainmenubar.OKDefaults

26、Cancel圖1-22ElementType對(duì)話框單擊Hex標(biāo)簽項(xiàng)，選擇Incompatiblemodest,對(duì)話框中就出現(xiàn)了C3D8I單元類型的信息提示。其余參數(shù)采用默認(rèn)值，單擊0K按鈕3設(shè)置種子在左側(cè)工具區(qū)用鼠標(biāo)單擊二（SeedPart）按鈕，或者直接在主菜單中選擇Seed-Part.,就會(huì)出現(xiàn)GlobalSeeds對(duì)話框，選擇單元大小默認(rèn)值：10，如圖1-23所示，單擊0K按鈕。圖1-23GlobalSeeds對(duì)話框4劃分網(wǎng)格單擊左側(cè)工具區(qū)的怡皂（MeshPar）按鈕，或者在主菜單中選擇Mesh-Part，窗口底部的提示區(qū)顯示OKtomeshthepart?（為部件劃分網(wǎng)格？），在視圖區(qū)

27、單擊鼠標(biāo)中鍵，或直接單擊提示區(qū)中的Yes,得到如圖1-24所示的網(wǎng)格。圖1-24生成的網(wǎng)格說明：本例題的目的是通過一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，讓用戶初步了解ABAQUS/CAE的建模方法，因此使用了比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)格劃分方法，得到的網(wǎng)格比較粗糙，計(jì)算得出的懸臂梁固定端處的應(yīng)力結(jié)果將不會(huì)太準(zhǔn)確。如果希望更準(zhǔn)確地分析此懸臂梁受均布載荷的問題，可以進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格。5檢查網(wǎng)格單擊工具區(qū)中的VerifyMesh（檢查模型）工具兇，在視圖區(qū)選擇懸臂梁部件，單擊鼠標(biāo)中鍵，彈出VerifyMesh對(duì)話框，如圖1-25所示。在Type欄內(nèi)選擇Analysischecks（分析檢查），單擊Highlight按鈕，顯示沒有任何錯(cuò)誤

28、或警告信息。jVerifyMeshShapeSizeAnalysisMetricsMetricsChecksColorKeyl/lErrorsl<WarningsCreateetPoorElements-1containelementsHighlightReselectDefaultsDismiss圖1-25檢查模型網(wǎng)格劃分1.9提交分析作業(yè)在窗口的左上角的Module列表中選擇Job（分析作業(yè)）功能模塊。1創(chuàng)建分析作業(yè)單擊左側(cè)工具區(qū)的日（JobManager）按鈕，或者在主菜單中選擇Job-Manager,彈出JobManager對(duì)話框，如圖1-26所示，單擊Create.（創(chuàng)建新的作

29、業(yè)）按鈕，在Name后面輸入Deform，單擊Continue.按鈕，彈出EditJob對(duì)話框，如圖1-27所示，將Description設(shè)為Cantileverbeam,其他各參數(shù)保持默認(rèn)值，單擊0K按鈕。"IJobManagerNameModelTypeStatusXCreate.EdDismiss圖1-26JobManager對(duì)話框圖1-27EditJob對(duì)話框2提交分析在JobManager對(duì)話框中單擊Submit（提交分析）按鈕?？吹綄?duì)話框中的Status（狀態(tài)）提示依次變?yōu)镾ubmitted,Running和Completed,這表明對(duì)模型的分析已經(jīng)完成。單擊此對(duì)話框中的

30、Results（分析結(jié)果）按鈕，自動(dòng)進(jìn)入Visualization模塊。提示：如果Status提示變?yōu)锳borted（分析失敗），說明模型存在問題，分析已經(jīng)終止?？梢詥螕魧?duì)話框中的Monitor（監(jiān)視器）來檢查錯(cuò)誤信息，然后檢查前面各個(gè)建模步驟是否都已經(jīng)準(zhǔn)確完成，更正錯(cuò)誤后，重新提交分析。說明：在ABAQUS/CAE對(duì)話框的底部常常可以看到兩個(gè)按鈕：Dismiss和Cancel,他們的作用都是關(guān)閉當(dāng)前對(duì)話框，二者的區(qū)別在于：Dismiss按鈕出現(xiàn)在包含只讀數(shù)據(jù)的對(duì)話框中；Cancel按鈕出現(xiàn)在允許作出修改的對(duì)話框中，單擊Cancel按鈕可以關(guān)閉對(duì)話框，而不保存所修改的內(nèi)容。1.10后處理看到窗口左上角的Module列表已經(jīng)自動(dòng)變成Visualization功能模塊，在視圖區(qū)顯示出模型未變形時(shí)的輪廓圖。1顯示未變形圖單擊左側(cè)工具區(qū)的區(qū)（PlotUndeformedShape按鈕，或者在主菜單中選擇Plot-UndeformedShape顯示出未變形的網(wǎng)格模型，如圖1-28所示。圖1-28未變形的網(wǎng)格模型2顯示變形圖單擊左側(cè)工具區(qū)的（PlotDeformedShape）按鈕，或者在主菜單中選擇Plot-DeformedShape顯示出變形后的網(wǎng)