Abaqus,请推开这扇认识世界的大门

来源:小同人工作室

材料失效

Abaqus,请推开这扇认识世界的大门的图1
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子弹侵彻模拟

      这个问题源于军工行业,一般用LS-Dyna模拟比较多,毕竟人家材料库和显式算法是全球翘楚。Abaqus当然也能算,计算关键主要有两点:

  1. 需要定义材料失效(element delation),并且一定要勾选field output中的status,否则后处理的odb文件无法显示单元删除的效果;

  2. 显式求解,通用接触。由于材料破坏会导致内部单元重新接触,必须定义包含所有单元内部表面的surface,用这样的surface集合指定接触关系。

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钢球击穿钢板

   计算要点:

  1. 修改关键字,定义单元失效

    *shear failure

    1.0

  2. mesh中勾选element delation,并且一定要在field output中勾选status,否则后处理无法显示单元删除的效果。

  3. 钢球采用rigid body constraint定义,施加初速度。

    第一张图钢球以100m/s的速度击穿了钢板,单元失效。第二张图钢球以10m/s的速度击中钢板,但并未产生单元失效。

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脆性材料破坏

        第一张图模拟了建筑玻璃在爆炸荷载作用下的破碎全过程,第二张图模拟了陶瓷杯落地破碎的全过程,

计算要点:

  1. 采用brittle定义脆性材料;

  2. 单元失效的定义与status的勾选;

  3. 显式分析中,通用接触的surface一定要选中内部单元的所有表面。

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断裂模拟

        第一张图是夏比试验的模拟,这是研究金属材料冲击韧性的经典手段,采用了Johnson-Cook金属塑性本构。第二张图模拟了小开缝板件受拉过程中的裂缝扩展过程。计算关键主要是对材料本构的定义,显式求解与前文基本一致。其实,如果用xFEM模拟裂缝,表现效果更好,以后有机会与各位多讨论。

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高速切削全过程模拟

         又是一个机械工程中广泛应用的案例,计算要点:

  1. 采用延性金属本构,定义材料失效;

  2. 通用接触,定义内部单元的surface。

  3. 定义刚性切削体


大变形

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会挽雕弓如满月

      模拟了弓箭射出的过程,计算要点:

  1. 橡胶超弹性材料的定义;

  2. 面面接触的定义;

  3. 弓箭刚体的定义。

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方钢管受压大变形模拟

     计算要点:

  1. 显式分析,注意材料质量的设置,注意刚体推进速度的定义;

  2. 通用接触。

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橡胶材料储能全过程模拟

       第一张图给出了弹弓弹射过程的模拟,第二张图给出了风扇转叶储能橡胶的模拟。模拟方法与前文相同,关键在于:

  1. 橡胶超弹性本构关系的定义;

  2. 刚体定义与初速度施加;

  3. 第一张图是面面接触,第二张图则是自接触

  4. 对于风扇转叶储能环,要定义distributed coupling而非kinematic coupling,以模拟橡胶在端部的变形释放。

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金属冲压成型

      这个案例在机械工程中应用极为广泛,主要计算要点:

  1. 刚性模具的建模;

  2. 面面接触的定义。

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ALE自适应网格

        ALE网格技术大大拓展了有限元软件对于客观物理世界的描述能力。这类网格不改变单元和节点的拓扑关系,但网格自身会随着结构变形不断调整。上图是在刚体模具施压作用下,橡胶大变形的全过程。左边波谷下的橡胶采用普通网格划分,右边波谷下的橡胶采用ALE网格划分。可以看出右边网格变形的程度小于左边。

结构工程

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薄壁圆筒非线性屈曲全过程求解

计算要点:

  1. 几何非线性;

  2. 修改关键字以记录模态位移

    *node file

    u,

  3. 修改关键字*imperfection,引入初始缺陷;

  4. risk分析求解,追踪屈曲全过程

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单层球面网壳非线性全过程求解

      求解网壳非线性平衡路径,如果能够用ansys,何苦再用abaqus。这个算例只是为了说明abaqus的相关用法,实际上也是先用ansys APDL参数化生成了iges格式的几何模型,再导入abaqus进行计算。计算要点与薄壁圆筒屈曲过程的模拟基本一致,不再赘述。第一张图是未引入初始缺陷的单层K6网壳变形示意,第二张图是引入一阶模态分布缺陷的单层K6网壳结构变形示意。

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结构拓扑优化

       拓扑优化实际上是软件基于某种内设条件或者用户指定的最优化算法,去寻找到一种近似的、更加轻量的结构形式。不同结构形式、不同荷载作用模式,拓扑优化的结果不尽相同。需要注意的是,abaqus所找到的优化构型未必绝对最优,只是为体系优化提供了一个可行的方向。第一幅图列举了简支梁受顶面均布荷载作用的优化过程(对应极简化的桥梁结构);第二幅图列举了悬臂梁受单面侧向荷载作用的优化过程(对应极简化的建筑结构)。

计算要点:

  1. 指定优化目标(如应变能最小);

  2. 指定约束条件(如体积、质量减小40%等等);

  3. 指定迭代原则和迭代次数。

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结构抗震、抗倒塌分析

        第一张图给出了混凝土结构受El-Centro波激励下的时程响应,600gal,显式分析。第二张图给出了普通框架结构去底层中柱的倒塌过程。这个算例关键需要掌握混凝土塑性损伤本构的计算方法,其他这个并没什么难点。


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