結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS中非線性分析理論與應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS中非線性分析理論與應(yīng)用1緒論1.1非線性分析的定義與重要性非線性分析是指在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不再與作用力成線性關(guān)系時(shí)，所采用的分析方法。這種非線性可能源于材料的非線性（如塑性、粘彈性）、幾何非線性（大變形、大應(yīng)變）或接觸非線性（如摩擦、間隙）。非線性分析對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在極端條件下的行為至關(guān)重要，例如在地震、碰撞或高溫等情況下，線性假設(shè)往往不再適用，非線性分析能夠提供更精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。1.2ABAQUS軟件簡(jiǎn)介ABAQUS是一款廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的高級(jí)有限元分析軟件，由DassaultSystèmes公司開發(fā)。它能夠處理復(fù)雜的非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性、接觸非線性等。ABAQUS提供了豐富的單元類型、材料模型和求解算法，適用于各種工程分析，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等。1.3非線性分析的基本類型1.3.1材料非線性材料非線性分析考慮材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的行為變化，如塑性、蠕變、超彈性等。在ABAQUS中，可以通過(guò)定義材料屬性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)材料非線性分析。1.3.2幾何非線性幾何非線性分析考慮結(jié)構(gòu)在大變形或大應(yīng)變下的行為，此時(shí)線性假設(shè)下的小變形理論不再適用。ABAQUS通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)載荷和邊界條件的影響，能夠準(zhǔn)確模擬大變形情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。1.3.3接觸非線性接觸非線性分析處理兩個(gè)或多個(gè)物體之間的接觸問(wèn)題，包括摩擦、間隙、滑移等。ABAQUS提供了多種接觸算法和接觸條件設(shè)置，能夠模擬復(fù)雜的接觸行為，如自接觸、多體接觸等。1.4示例：ABAQUS中材料非線性分析1.4.1代碼示例#ABAQUS材料非線性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#創(chuàng)建材料

myMaterial=mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

#定義材料屬性

myMaterial.Elastic(table=((200000,0.3),))

myMaterial.Plastic(table=((250,0.002),(300,0.005),(350,0.01)))

#創(chuàng)建截面

mySection=mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='SteelSection',material='Steel',thickness=None)

#創(chuàng)建零件

myPart=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myPart.BaseSolidExtrude(sketch=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0),depth=10.0)

#創(chuàng)建實(shí)例

myInstance=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Instance(name='Part-1-1',part=myPart,dependent=ON)

#設(shè)置截面

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].SectionAssignment(region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['Set-1'],sectionName='SteelSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)1.4.2示例描述在上述代碼中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè)名為Steel的材料，并定義了其彈性模量和泊松比。接著，我們定義了材料的塑性行為，通過(guò)提供應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)描述材料的非線性特性。然后，我們創(chuàng)建了一個(gè)截面，并將其與材料關(guān)聯(lián)。最后，我們創(chuàng)建了一個(gè)零件和實(shí)例，并將定義的截面應(yīng)用于零件的特定區(qū)域。1.5示例：ABAQUS中幾何非線性分析1.5.1代碼示例#ABAQUS幾何非線性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#創(chuàng)建模型

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=100,nlgeom=ON)

#創(chuàng)建載荷

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].faces['Face-1'],cf1=100.0)

#創(chuàng)建邊界條件

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].sets['Set-1'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)1.5.2示例描述在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)靜態(tài)分析步驟Step-1，并啟用了幾何非線性分析（nlgeom=ON）。我們施加了一個(gè)集中力Load-1在零件的一個(gè)面上，以及一個(gè)位移邊界條件BC-1在零件的特定集合上，以固定其位置。通過(guò)啟用幾何非線性，ABAQUS能夠考慮結(jié)構(gòu)在載荷作用下的大變形，從而提供更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。1.6示例：ABAQUS中接觸非線性分析1.6.1代碼示例#ABAQUS接觸非線性分析示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#創(chuàng)建接觸對(duì)

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('IntProp-1')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=PENALTY,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Step-1',master=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].surfaces['Surface-1'],slave=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-2-1'].surfaces['Surface-2'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='IntProp-1')

#創(chuàng)建接觸對(duì)的實(shí)例

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Surface(name='Surface-1',side1Edges=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-1-1'].edges['Edge-1'])

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.Surface(name='Surface-2',side1Edges=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.instances['Part-2-1'].edges['Edge-2'])1.6.2示例描述在接觸非線性分析中，我們首先定義了一個(gè)接觸屬性IntProp-1，并設(shè)置了其切向行為。然后，我們創(chuàng)建了一個(gè)接觸對(duì)Contact-1，指定了主表面和從表面，以及接觸滑動(dòng)的類型。通過(guò)這些設(shè)置，ABAQUS能夠模擬兩個(gè)零件之間的接觸行為，包括摩擦和滑動(dòng)。我們還創(chuàng)建了接觸對(duì)的實(shí)例，指定了具體的表面，以便在分析中應(yīng)用接觸條件。通過(guò)上述示例，我們可以看到ABAQUS在處理非線性分析時(shí)的強(qiáng)大功能和靈活性。無(wú)論是材料非線性、幾何非線性還是接觸非線性，ABAQUS都能夠提供精確的解決方案，幫助工程師和研究人員深入理解結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷條件下的行為。2非線性分析基礎(chǔ)2.1材料非線性理論2.1.1原理材料非線性是指材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不再遵循線性比例，即胡克定律不再適用。在ABAQUS中，材料非線性可以通過(guò)多種模型來(lái)描述，包括塑性、蠕變、超彈性等。塑性模型是最常見的，它描述了材料在超過(guò)屈服點(diǎn)后的行為，包括彈性、塑性、硬化或軟化階段。2.1.2內(nèi)容在ABAQUS中定義材料非線性，通常需要指定材料的彈性模量、泊松比以及塑性行為。塑性行為可以通過(guò)提供應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)定義，曲線上的點(diǎn)表示不同應(yīng)變下的屈服應(yīng)力。示例假設(shè)我們有以下材料的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)：應(yīng)變（Strain）屈服應(yīng)力（Stress）0.0012000.0052500.01300在ABAQUS中，可以通過(guò)以下方式定義這種材料的塑性行為：#定義材料屬性

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

frommaterialimport*

fromsectionimport*

session.journalOptions.setValues(resetViewports=False,playBackFailedScripts=False)

#創(chuàng)建材料

myMaterial=mdb.models['Model-1'].Material(name='MyMaterial')

#定義彈性屬性

myMaterial.Elastic(table=((200000,0.3),))

#定義塑性屬性

myMaterial.Plastic(table=((200,0.001),(250,0.005),(300,0.01)))2.2幾何非線性概念2.2.1原理幾何非線性考慮了結(jié)構(gòu)變形對(duì)分析結(jié)果的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形較大時(shí)，初始幾何形狀與變形后的形狀差異顯著，此時(shí)需要使用幾何非線性分析。ABAQUS通過(guò)考慮大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)處理幾何非線性問(wèn)題。2.2.2內(nèi)容在ABAQUS中，幾何非線性分析通常在分析步中激活。通過(guò)設(shè)置analysisType=NONLINEAR，ABAQUS將自動(dòng)考慮結(jié)構(gòu)變形對(duì)分析結(jié)果的影響。示例創(chuàng)建一個(gè)包含幾何非線性分析步的模型：#創(chuàng)建分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

analysisType=NONLINEAR)2.3接觸非線性解析2.3.1原理接觸非線性分析處理兩個(gè)或多個(gè)物體之間的接觸問(wèn)題，包括摩擦、間隙、滑動(dòng)等。在ABAQUS中，接觸非線性通過(guò)定義接觸對(duì)和接觸屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3.2內(nèi)容接觸對(duì)定義了哪些表面之間可能發(fā)生接觸，接觸屬性則描述了接觸面之間的摩擦行為。ABAQUS提供了多種接觸屬性，如無(wú)摩擦接觸、摩擦接觸等。示例定義接觸對(duì)和接觸屬性：#定義接觸屬性

myContactProperty=mdb.models['Model-1'].ContactProperty('MyContactProp')

myContactProperty.NoFriction()

#定義接觸對(duì)

myContactPair=mdb.models['Model-1'].ContactPair(name='MyContactPair',

createStepName='Step-1',

master='MasterSurface',

slave='SlaveSurface',

interactionProperty='MyContactProp')2.4時(shí)間步長(zhǎng)與收斂性控制2.4.1原理在非線性分析中，時(shí)間步長(zhǎng)的選擇和收斂性控制對(duì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率至關(guān)重要。ABAQUS提供了自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制和多種收斂性控制策略。2.4.2內(nèi)容自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制可以根據(jù)模型的響應(yīng)自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，以確保分析的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。收斂性控制策略包括改變時(shí)間步長(zhǎng)、修改載荷增量、調(diào)整求解器參數(shù)等。示例設(shè)置自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制：#設(shè)置分析步的時(shí)間步長(zhǎng)控制

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=1000,

initialInc=0.1,

minInc=1e-06,

maxInc=1.0,

timePeriod=1.0,

nlgeom=ON)以上示例中，maxNumInc定義了分析步中允許的最大增量數(shù)，initialInc是初始時(shí)間步長(zhǎng)，minInc和maxInc分別是最小和最大時(shí)間步長(zhǎng)，timePeriod是分析步的總時(shí)間，nlgeom=ON激活了幾何非線性分析。3ABAQUS非線性分析設(shè)置3.1材料屬性定義在ABAQUS中進(jìn)行非線性分析，首先需要定義材料的非線性屬性。這包括但不限于彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、塑性硬化參數(shù)等。對(duì)于塑性材料，通常使用ELASTIC和PLASTIC關(guān)鍵字來(lái)定義材料屬性。3.1.1示例：定義鋼材的非線性材料屬性#定義材料屬性

material=mdb.models['Model-1'].materials['Steel']

material.Elastic(table=((200000,0.3),))

material.Plastic(table=((250,10),(300,20),(350,30)))

#注釋：上述代碼定義了鋼材的彈性模量為200000MPa，泊松比為0.3。

#鋼材的塑性行為通過(guò)屈服強(qiáng)度和硬化參數(shù)來(lái)描述，例如，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到250MPa時(shí)，

#硬化模量為10MPa，以此類推。3.2幾何非線性激活幾何非線性分析考慮了結(jié)構(gòu)變形對(duì)自身幾何形狀的影響，這對(duì)于大變形或大位移的情況尤為重要。在ABAQUS中，通過(guò)在分析步中指定*GEOMETRY=NONLINEAR來(lái)激活幾何非線性。3.2.1示例：激活幾何非線性分析#創(chuàng)建分析步并激活幾何非線性

step=mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial')

step.setValues(geometricNonlinearity=ON)

#注釋：上述代碼創(chuàng)建了一個(gè)名為'Step-1'的靜態(tài)分析步，并在其中激活了幾何非線性。3.3接觸屬性與界面設(shè)置接觸分析是ABAQUS非線性分析中的關(guān)鍵部分，它允許模擬兩個(gè)或多個(gè)部件之間的相互作用。接觸屬性包括接觸類型（如滑動(dòng)或粘結(jié)）、摩擦系數(shù)等。界面設(shè)置則定義了接觸表面的配對(duì)。3.3.1示例：定義接觸屬性和界面設(shè)置#定義接觸屬性

contactProperty=mdb.models['Model-1'].ContactProperty('ContactProp-1')

contactProperty.TangentialBehavior(formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,table=((0.3,),),shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,

fraction=0.005,elasticSlipStiffness=None)

#定義接觸對(duì)

contactPair=mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='ContactPair-1',

createStepName='Step-1',master='Master_Surface',slave='Slave_Surface',

sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp-1')

#注釋：上述代碼定義了一個(gè)接觸屬性'ContactProp-1'，其中摩擦系數(shù)為0.3。

#接觸對(duì)'ContactPair-1'被定義，其中'Master_Surface'為接觸的主表面，

#'Slave_Surface'為接觸的從表面，接觸類型為滑動(dòng)。3.4加載與邊界條件應(yīng)用加載和邊界條件是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)鍵因素。在ABAQUS中，加載可以是力、壓力、位移等，邊界條件則用于限制結(jié)構(gòu)的自由度。非線性分析中，加載通常需要逐步施加，以確保收斂。3.4.1示例：應(yīng)用力加載和位移邊界條件#應(yīng)用力加載

region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.sets['LoadRegion']

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].loads['Load-1'].setValuesInStep(stepName='Step-1',

values=(1.0,))

#應(yīng)用位移邊界條件

region=mdb.models['Model-1'].rootAssembly.sets['BCRegion']

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',region=region,

u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,amplitude=UNSET,

distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#注釋：上述代碼在'LoadRegion'區(qū)域施加了一個(gè)名為'Load-1'的力加載，

#在'Step-1'分析步中逐步增加力的大小。

#'BC-1'是一個(gè)位移邊界條件，應(yīng)用于'BCRegion'區(qū)域，限制了所有方向的位移。以上示例展示了在ABAQUS中進(jìn)行非線性分析時(shí)，如何定義材料屬性、激活幾何非線性、設(shè)置接觸屬性以及應(yīng)用加載和邊界條件。這些步驟是構(gòu)建非線性仿真模型的基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)和設(shè)置，可以模擬各種復(fù)雜的工程問(wèn)題。4非線性分析案例研究4.1平面梁的彎曲分析4.1.1原理在ABAQUS中進(jìn)行平面梁的彎曲分析時(shí)，我們主要關(guān)注梁在非線性載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。非線性分析可能涉及材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。對(duì)于平面梁，幾何非線性尤其重要，因?yàn)榇笞冃螘?huì)導(dǎo)致梁的中性軸發(fā)生偏移，從而影響應(yīng)力和應(yīng)變的計(jì)算。4.1.2內(nèi)容建立模型：首先，定義梁的幾何形狀、材料屬性和邊界條件。梁可以是矩形、I形或任何其他截面形狀。材料屬性包括彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度等。施加載荷：在梁的一端或兩端施加垂直載荷，模擬彎曲情況。載荷可以是集中力或分布力。定義分析步：設(shè)置非線性分析步，包括增量加載、收斂準(zhǔn)則和時(shí)間步長(zhǎng)控制。網(wǎng)格劃分：選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于彎曲分析，通常需要在梁的厚度方向上進(jìn)行細(xì)化。求解和后處理：運(yùn)行分析，然后使用ABAQUS的后處理工具來(lái)查看梁的變形、應(yīng)力和應(yīng)變分布。4.1.3示例假設(shè)我們有一根矩形截面的鋼梁，長(zhǎng)1000mm，寬100mm，高200mm。材料屬性為彈性模量200GPa，泊松比0.3。在梁的一端施加垂直集中力1000N，另一端固定。#ABAQUSPythonScriptforNonlinearBeamBendingAnalysis

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importsection

importregionToolset

importpart

importmaterial

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

importvisualization

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='BeamBending')

#Createapart

myPart=myModel.Part(name='Beam',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myPart.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0),depth=1000.0)

myPart.Sketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

myPart.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(50.0,0.0))

myPart.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myPart.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myPart.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=1000.0)

#Definematerialproperties

myMaterial=myModel.Material(name='Steel')

myMaterial.Elastic(table=((200e9,0.3),))

#Assignmaterialtosection

mySection=myModel.HomogeneousSolidSection(name='BeamSection',material='Steel',thickness=None)

myPart.SectionAssignment(region=myPart.cells,sectionName='BeamSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='BeamInstance',part=myPart,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='FixedEnd',vertices=myAssembly.instances['BeamInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['FixedEnd'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Defineloads

myAssembly.Set(name='LoadEnd',vertices=myAssembly.instances['BeamInstance'].vertices.findAt(((100.0,0.0,1000.0),)))

myAssembly.ConcentratedForce(name='Load',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['LoadEnd'],cf1=1000.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM)

#Definemesh

myPart.seedPart(size=10.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPart.generateMesh()

#Defineanalysisstep

myStep=myModel.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=1000,nlgeom=ON)

#Submitthejob

mdb.Job(name='BeamBendingJob',model='BeamBending',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF).submit(consistencyChecking=OFF)4.2復(fù)合材料層合板的壓痕測(cè)試4.2.1原理復(fù)合材料層合板的壓痕測(cè)試用于評(píng)估材料在局部載荷下的響應(yīng)，特別是在復(fù)合材料中，不同層的材料屬性和方向可能對(duì)壓痕深度和損傷模式產(chǎn)生顯著影響。ABAQUS中的接觸分析可以模擬壓頭與層合板之間的相互作用，包括摩擦和滑動(dòng)。4.2.2內(nèi)容建立模型：定義層合板的幾何形狀、材料屬性和層的堆疊順序。壓頭通常是一個(gè)剛性圓柱或球體。施加載荷：在壓頭的底部施加垂直載荷，模擬壓痕過(guò)程。定義接觸：設(shè)置壓頭與層合板之間的接觸，包括接觸面、摩擦系數(shù)和接觸類型。網(wǎng)格劃分：選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸，特別是在接觸區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。求解和后處理：運(yùn)行分析，然后使用ABAQUS的后處理工具來(lái)查看層合板的變形、應(yīng)力和損傷情況。4.2.3示例假設(shè)我們有一塊由兩層不同復(fù)合材料組成的層合板，每層厚度為1mm，總尺寸為100mmx100mm。壓頭是一個(gè)直徑為10mm的剛性球體，施加垂直載荷100N。#ABAQUSPythonScriptforCompositePlateIndentationTest

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importpart

importmaterial

importsection

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='IndentationTest')

#Createcompositeplate

myPlate=myModel.Part(name='Plate',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myPlate.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0),depth=1.0)

myPlate.Sketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

myPlate.Rectangle(point1=(-50.0,-50.0),point2=(50.0,50.0))

myPlate.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myPlate.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myPlate.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=1.0)

#Definematerials

myMaterial1=myModel.Material(name='Layer1')

myMaterial1.Elastic(table=((100e9,0.3),))

myMaterial2=myModel.Material(name='Layer2')

myMaterial2.Elastic(table=((150e9,0.25),))

#Assignmaterialstosections

mySection1=myModel.HomogeneousSolidSection(name='Layer1Section',material='Layer1',thickness=None)

mySection2=myModel.HomogeneousSolidSection(name='Layer2Section',material='Layer2',thickness=None)

myPlate.SectionAssignment(region=myPlate.cells.findAt(((0.0,0.0,0.5),)),sectionName='Layer1Section',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

myPlate.SectionAssignment(region=myPlate.cells.findAt(((0.0,0.0,1.5),)),sectionName='Layer2Section',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createindenter

myIndenter=myModel.Part(name='Indenter',dimensionality=THREE_D,type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

myIndenter.AnalyticRigidSurfRevolve(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0))

myIndenter.Sketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

myIndenter.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(5.0,0.0))

myIndenter.Revolve(sketchPlane=myIndenter.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).plane,sketchUpEdge=myIndenter.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneSide=SIDE1,sketchOrientation=RIGHT,angle=360.0)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='PlateInstance',part=myPlate,dependent=ON)

myAssembly.Instance(name='IndenterInstance',part=myIndenter,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='PlateBottom',faces=myAssembly.instances['PlateInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['PlateBottom'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Definecontact

myAssembly.Surface(name='IndenterSurface',side1Edges=myAssembly.instances['IndenterInstance'].edges)

myAssembly.Surface(name='PlateSurface',side1Faces=myAssembly.instances['PlateInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,1.0),)))

myModel.ContactProperty('ContactProp')

myModel.Attraction(table=((0.0,),))

myModel.Sliding(table=((0.0,),))

myModel.Friction(table=((0.1,),))

myModel.Interaction(name='IndentationContact',interactionType=CONTACT,createStepName='Step-1')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='IndentationContact',createStepName='Step-1',master=myAssembly.surfaces['IndenterSurface'],slave=myAssembly.surfaces['PlateSurface'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp')

#Defineloads

myAssembly.Set(name='IndenterTop',vertices=myAssembly.instances['IndenterInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,5.0),)))

myAssembly.ConcentratedForce(name='Load',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['IndenterTop'],cf3=100.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM)

#Definemesh

myPlate.seedPart(size=1.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPlate.generateMesh()

#Defineanalysisstep

myStep=myModel.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,maxNumInc=1000,nlgeom=ON)

#Submitthejob

mdb.Job(name='IndentationTestJob',model='IndentationTest',description='',type=ANALYSIS,atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF).submit(consistencyChecking=OFF)4.3金屬成型過(guò)程的模擬4.3.1原理金屬成型過(guò)程的模擬通常涉及大變形和材料流動(dòng)，這需要使用非線性分析。ABAQUS可以模擬各種成型過(guò)程，如沖壓、鍛造和擠壓，通過(guò)考慮材料的塑性行為、溫度效應(yīng)和接觸條件。4.3.2內(nèi)容建立模型：定義金屬坯料的幾何形狀、材料屬性和模具的形狀。施加載荷：在模具上施加壓力或在坯料上施加速度，模擬成型過(guò)程。定義接觸：設(shè)置模具與坯料之間的接觸，包括接觸面、摩擦系數(shù)和接觸類型。網(wǎng)格劃分：選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸，特別是在接觸區(qū)域和坯料的變形區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。求解和后處理：運(yùn)行分析，然后使用ABAQUS的后處理工具來(lái)查看成型后的形狀、應(yīng)力和應(yīng)變分布。4.3.3示例假設(shè)我們模擬一個(gè)圓柱形金屬坯料在模具中被沖壓成一個(gè)扁平盤的過(guò)程。坯料直徑為50mm，高度為10mm。模具是一個(gè)直徑為60mm的剛性圓柱。沖壓速度為1mm/s。#ABAQUSPythonScriptforMetalFormingSimulation

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

importpart

importmaterial

importsection

importassembly

importstep

importinteraction

importload

importmesh

importjob

#Createanewmodel

myModel=mdb.Model(name='MetalForming')

#Createbillet

myBillet=myModel.Part(name='Billet',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

myBillet.BaseSolidExtrude(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=50.0),depth=10.0)

myBillet.Sketch(name='__profile__',sheetSize=50.0)

myBillet.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(25.0,0.0))

myBillet.SolidExtrude(sketchPlaneSide=SIDE1,sketchUpEdge=myBillet.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneNormal=myBillet.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).normal,sketchOrientation=RIGHT,depth=10.0)

#Definematerialproperties

myMaterial=myModel.Material(name='Metal')

myMaterial.Elastic(table=((200e9,0.3),))

myMaterial.Plastic(table=((200e6,0.0),))

#Assignmaterialtosection

mySection=myModel.HomogeneousSolidSection(name='BilletSection',material='Metal',thickness=None)

myBillet.SectionAssignment(region=myBillet.cells,sectionName='BilletSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)

#Createdie

myDie=myModel.Part(name='Die',dimensionality=THREE_D,type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

myDie.AnalyticRigidSurfRevolve(sketch=ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=60.0))

myDie.Sketch(name='__profile__',sheetSize=60.0)

myDie.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(30.0,0.0))

myDie.Revolve(sketchPlane=myDie.faces.findAt((0.0,0.0,0.0)).plane,sketchUpEdge=myDie.edges.findAt((0.0,0.0,0.0)),sketchPlaneSide=SIDE1,sketchOrientation=RIGHT,angle=360.0)

#Createanassembly

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='BilletInstance',part=myBillet,dependent=ON)

myAssembly.Instance(name='DieInstance',part=myDie,dependent=ON)

#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='BilletBottom',faces=myAssembly.instances['BilletInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,0.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['BilletBottom'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM)

#Definecontact

myAssembly.Surface(name='DieSurface',side1Edges=myAssembly.instances['DieInstance'].edges)

myAssembly.Surface(name='BilletSurface',side1Faces=myAssembly.instances['BilletInstance'].faces.findAt(((0.0,0.0,5.0),)))

myModel.ContactProperty('ContactProp')

myModel.Attraction(table=((0.0,),))

myModel.Sliding(table=((0.0,),))

myModel.Friction(table=((0.1,),))

myModel.Interaction(name='FormingContact',interactionType=CONTACT,createStepName='Step-1')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='FormingContact',createStepName='Step-1',master=myAssembly.surfaces['DieSurface'],slave=myAssembly.surfaces['BilletSurface'],sliding=FINITE,thickness=ON,interactionProperty='ContactProp')

#Defineloads

myAssembly.Set(name='DieTop',vertices=myAssembly.instances['DieInstance'].vertices.findAt(((0.0,0.0,30.0),)))

myAssembly.DisplacementBC(name='DieMotion',createStepName='Step-1',region=myAssembly.sets['DieTop'],u1=0.0,u2=0.0,u3=-1.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=

#高級(jí)非線性分析技術(shù)

##顯式動(dòng)力學(xué)分析

###原理

顯式動(dòng)力學(xué)分析是ABAQUS中處理高速、短時(shí)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的一種方法。它基于顯式時(shí)間積分方案，能夠快速求解大變形、接觸、沖擊等非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。顯式動(dòng)力學(xué)分析中，時(shí)間步長(zhǎng)由最短波長(zhǎng)和材料特性決定，通常非常小，這使得計(jì)算能夠捕捉到高速事件的細(xì)節(jié)。

###內(nèi)容

在ABAQUS中進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，需要定義材料屬性、幾何模型、邊界條件、載荷以及時(shí)間步長(zhǎng)控制。ABAQUS使用Lagrangian和Eulerian方法來(lái)處理材料的變形，同時(shí)支持多種接觸算法，以準(zhǔn)確模擬不同物體間的相互作用。

###示例

```python

#ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)分析示例

#創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的沖擊問(wèn)題模型

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#定義材料屬性

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Density(table=((7.85e-09,),))

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200000.0,0.3),))

#創(chuàng)建實(shí)例

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

a.Instance(name='Part-1-1',part=p,dependent=ON)

#定義邊界條件和載荷

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

region=a.instances['Part-1-1'].faces

faces=region.findAt(((50.0,0.0,5.0),))

region=a.Set(faces=faces,name='Set-1')

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=10000)

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',

region=region,u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,

amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',

localCsys=None)

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Step-1',

region=region,cf1=10000.0,cf2=0.0,cf3=0.0,distributionType=UNIFORM,

field='',localCsys=None)

#設(shè)置顯式動(dòng)力學(xué)分析

mdb.models['Model-1'].ExplicitDynamicsStep(name='Step-2',previous='Step-1',

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-2'].setValues(maxNumInc=10000)

#提交分析

mdb.models['Model-1'].rootAssembly.regenerate()

mdb.models['Model-1'].solve()此示例創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的三維實(shí)體模型，定義了材料屬性、邊界條件和載荷，然后設(shè)置了顯式動(dòng)力學(xué)分析步驟。通過(guò)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)和載荷，可以模擬不同類型的沖擊事件。4.4非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)4.4.1原理非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)是在ABAQUS中通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)變量，以最小化或最大化目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)滿足一系列約束條件的過(guò)程。它適用于解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜問(wèn)題，如重量最小化、成本優(yōu)化或性能提升。ABAQUS的優(yōu)化模塊支持多種優(yōu)化算法，包括梯度法和非梯度法。4.4.2內(nèi)容在ABAQUS中進(jìn)行非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要定義設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及優(yōu)化算法。設(shè)計(jì)變量可以是幾何尺寸、材料屬性或載荷等。目標(biāo)函數(shù)通常是設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)的重量或位移。約束條件可以是應(yīng)力、應(yīng)變或位移限制。4.4.3示例#ABAQUS非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)示例

#優(yōu)化一個(gè)簡(jiǎn)單的梁的截面尺寸以最小化重量

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#定義材料屬性

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Density(table=((7.85e-09,),))

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200000.0,0.3),))

#創(chuàng)建實(shí)例

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

a.Instance(name='Part-1-1',part=p,dependent=ON)

#定義設(shè)計(jì)變量

mdb.models['Model-1'].DesignVariable(name='Width',description='',

lowerBound=5.0,upperBound=20.0,value=10.0,

discrete=OFF,discreteValues=(),discreteIntervals=(),

categories=('Width',))

mdb.models['Model-1'].DesignVariable(name='Height',description='',

lowerBound=5.0,upperBound=20.0,value=10.0,

discrete=OFF,discreteValues=(),discreteIntervals=(),

categories=('Height',))

#定義目標(biāo)函數(shù)

mdb.models['Model-1'].Objective(name='MinimizeWeight',description='',

expression='Part-1-1.mass',category='Mass')

#定義約束條件

mdb.models['Model-1'].Constraint(name='MaxStress',description='',

expression='Part-1-1.stress',category='Stress',

lowerBound=0.0,upperBound=100.0)

#設(shè)置優(yōu)化算法

mdb.models['Model-1'].OptimizationTask(name='Task-1',description='',

objective='MinimizeWeight',constraints=('MaxStress',),

designVariables=('Width','Height'),algorithm=SEQUENTIAL_QUADRATIC_PROGRAMMING)

#提交優(yōu)化任務(wù)

mdb.models['Model-1'].OptimizationTask('Task-1').solve()此示例定義了兩個(gè)設(shè)計(jì)變量（寬度和高度），一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（最小化重量），以及一個(gè)約束條件（最大應(yīng)力）。通過(guò)優(yōu)化算法，ABAQUS將自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)變量，以滿足約束條件并優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。4.5多物理場(chǎng)耦合分析4.5.1原理多物理場(chǎng)耦合分析是ABAQUS中處理涉及多種物理現(xiàn)象相互作用的問(wèn)題的方法。例如，結(jié)構(gòu)的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，其中結(jié)構(gòu)的溫度變化會(huì)影響其力學(xué)性能，反之亦然。ABAQUS支持多種耦合分析類型，包括熱-結(jié)構(gòu)、電-磁-結(jié)構(gòu)和流體-結(jié)構(gòu)等。4.5.2內(nèi)容在ABAQUS中進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析，需要定義每個(gè)物理場(chǎng)的屬性、邊界條件和載荷，以及它們之間的耦合關(guān)系。ABAQUS使用迭代方法求解耦合問(wèn)題，直到所有物理場(chǎng)的解收斂。4.5.3示例#ABAQUS多物理場(chǎng)耦合分析示例

#熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，模擬一個(gè)受熱的梁的變形

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,10.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseSolidExtrude(sketch=a,depth=10.0)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,

engineeringFeatures=ON)

#