仿真工具ABAQUS

1.软件简介

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析等。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。

2.相关模块  

ABAQUS有两个主求解器模块—— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块 — ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。

2.1 ABAQUS/CAE前后处理模块

ABAQUS/CAE是ABAQUS的前后处理器，具有几何体建模、模型装配、定义材料性质、定义约束和接触、网格划分、后处理过程自动化等功能。具备Patran、Hepermesh等专用前后处理程序功能。此外，便于开发流程化环境。几何体建模模型装配定义材料性质定义约束和接触网格划分后处理过程自动化。

2.2 ABAQUS/standard 隐式分析模块

ABAQUS的隐式非线性分析求解器，可以求解线性问题和非线性问题，包括求解静态、动态、热和电响应问题；集成了线性、非线性、机构（非线性柔性机构）求解功能。

2.3 ABAQUS/Explicit 显式分析模块

ABAQUS/Explicit是功能齐全的高级显示非线性有限元软件求解器。是一个通用分析模块，能够求解广泛的高度非线性瞬态问题，如：爆炸、碰撞、跌落、冲压、水下爆炸等瞬态、高度大变形非线性等，具有极强的结构分析能力；另外，其集成线性、非线性、机构（非线性柔性机构）求解功能；突出的优点是与隐示求解器Standard无缝集成，可以循环交替求解稳态和瞬态耦合问题。

2.4 ABAQUS/Aqua 海洋平台模块

ABAQUS/Aqua是用于海洋工程的一个附加模块，附加在ABAQUS/Standard上应用，ABAQUS/Aqua可用于海洋工程结构领域，其目的是模拟海上结构，可以解决：海上石油平台或船体，能够完成海洋平台导管架和立管的分析、J形管的拖曳模拟、底部弯曲计算和漂浮结构的研究；结构可以承受由稳定流和波效应引起的拖曳力、浮力和流体惯性载荷；自由水面以上的结构施加风载。另外，ABAQUS/Aqua可记录自由表面的高度，而且允许部分结构的浸没，同时为部分或全部浸没的结构提供特定的载荷库。ABAQUS/Aqua还提供了锚链、各向异性海床摩擦、桩脚连接单元、筒体结构的滑动线、缆绳单元等附加特征。

2.5 ABAQUS/CFD流体分析模块

纯计算流体动力学求解器ABAQUS/CFD基于混合间断有限元法/有限体积法（FVM） 和有限单元法（FEM），可以解决与层流和湍流相关的流体力学问题，不用通过第三方软件即可以在ABAQUS/CAE里方便地实现ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit与ABAQUS/CFD的耦合，实现真正意义上的流固耦合或耦合传热。

2.6 ABAQUS/ATOM优化分析模块

集成Topo和Shape优化分析模块，提供ABAQUS/cae界面下的优化分析能力。拓扑优化是通过不断修改最初模型中指定优化区域的单元材料属性， 然后从分析模型中删除/增加单元而获得满足设计目标的最优结构轮廓。形状优化是在已有的结构基础上对零件的局部特征进行修改，从而减小结构应力集中等。

与其它优化分析软件相比，其便捷和人性化的操作界面使学习更加的快速，同时其继承了ABAQUS的算法优点，考虑接触，几何非线性以及材料非线性以及加工制造的约束，最大程度满足用户的需求。

2.7 ABAQUS/WCM缠绕复合材料模块

ABAQUS的缠绕丝建模器（WCM），用户可以创建拥有详细规范结构外形和缠绕设计参数的模型，可进行沿纤维方向应力和应变的后处理。应用连续体或壳单元可创建轴对称或三位模型。用户可自定义界面来快速定义缠绕外形，进行几何和网格的创建。

WCM模块允许用户定义椭圆形、球形、测地形状，或通过表建立独立点。另外，还可通过已有的部件来创建缠绕基体的几何模型。可选择生成整体或局部模型、对称或不对称压力容器形状。

2.8 ABAQUS/Design设计灵敏度分析模块

ABAQUS/Design为ABAQUS/Standard的补充附加模块，主要用于设计灵敏度分析（SDA）。设计灵敏度对于理解空间变化及预测设计改变的影响非常有用。设计灵敏度可作为再设计和基于梯度的优化提供基础。

默认的敏感性算法可精确的计算敏感性，不需要客户指定任何的控制数据。用户可直接指定数值差分方法（向前或中心差分）和参数扰动的大小，在半解析的设计灵敏性分析的求解精度和求解费用之间权衡。在大位移分析的敏感性计算中，可考虑非线性几何效应。模型可包含较小的有限滑移接触，其中摩擦系数可同设计参数相关。敏感性分析可被重启动。

ABAQUS/Design提供全量和增量的设计灵敏度分析工时。增量公式适合于分析路径相关的解。设计灵敏性分析的结果可用于ABAQUS/View查看。

2.9 ABAQUS电磁分析模块

ABAQUS 6.12开始可进行电磁分析。ABAQUS/CAE支持电磁场建模功能，电磁场分析模型的信息可在ABAQUS/CAE界面中创建，例如材料、截面属性、载荷、边界条件、分析步、输出请求、单元选择及结果可视化处理。并且可进行电-热-结构分析。

2.10 ABAQUS/Parallel并行计算模块 

随着并行有限元分析的发展，ABAQUS的并行计算日益成熟。ABAQUS支持Threads和MPI两种模式的并行，Threads模式只能在SMP 系统上运行，而MPI模式则在SMP或者集群系统上都可以运行。

ABAQUS/Standard的并行求解器包括：具有动态负载均衡功能的并行直接稀疏矩阵求解器、基于区域分解的并行迭代求解器、并行Lanczos特征值求解器和并行AMS特征值求解器；ABAQUS/Explicit的并行求解器也是基于区域分解的。

3.相关功能

静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等

动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析

热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析

质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等

耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等

非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等

瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题

准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题

退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟

海洋工程结构分析：

        对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟

        对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟

        对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟

水下冲击分析：对冲击载荷作用下的水下结构进行分析

柔体多体动力学分析：对结构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑结构运动中的接触和摩擦

疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估

设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计

软件除具有上述常规和特殊的分析功能外，在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面也功能强大并各具特点，在材料模型中，定义了多种材料结构关系及失效准则模型，包括：

弹性：

线弹性：可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性

正交各向异性：具有多种典型失效理论，用于复合材料结构分析

多孔结构弹性：用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为

亚弹性：可以考虑应变对模量的影响

超弹性：可以模拟橡胶类材料的大应变影响

粘弹性：时域和频域的粘弹性材料模型

塑性：

金属塑性：符合Mises屈服准则的各向同性和遵循Hill准则的各向异性塑性模型

铸铁塑性：拉伸为Rankine屈服准则，压缩为Mises屈服准则

蠕变：考虑时间硬化和应变硬化定律的各向同性和各向异性蠕变模型

扩展的Druker-Prager模型：适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟

Capped Drucker-Prager模型：适合于地质、隧道挖掘等领域

Cam-Clay模型：适合于粘土类土壤材料的模拟

泡沫材料模型：可以模拟高度挤压材料，可应用于消费品包装、及车辆安全装置等领域混凝土材料模型，这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理论渗透性材料模型，提供了依赖于孔隙比率、饱和度和流速的各向同性和各向异性材料的渗透性模型。

其它材料特性：

包括密度、热膨胀特性、热传导率和导电率、比热、压电特性、阻尼以及用户自定义材料特性等。

载荷、约束及连接：

载荷

载荷包括均匀体力、不均匀体力、均匀压力、不均匀压力、静水压力、旋转加速度、离心载荷、弹性基础，伴随力效应，集中力和弯矩，温度和其他场变量，速度和加速度等。

约束

除常规的约束外，还提供线性和非线性的多点约束(MPC)，包括刚性链、刚性梁、壳体/固体连接、循环对称约束和运动耦合等。 连接强大的接触对定义与分析功能为管接头接触密封分析，铰链连接分析，壳体密封分析等带来极大的便利。

1. ABAQUS单元族

单元库：ABAQUS包括内容丰富的单元库，单元种类多达562种。它们可以分为8个大类，称为单元族，包括：

— 实体单元

— 壳单元

— 薄膜单元

— 梁单元

— 杆单元

— 刚体元

— 连接元

— 无限元