产品虚拟设计综合实验
上机指导书
（ABAQUS篇）
南京理工大学 2009年12月
1 引言 .............................................................................................................................................. 3 2 ABAQUS 软件 ................................................................................................................................. 3
2.1 ABAQUS分析步骤 .............................................................................................................. 3 2.2 ABAQUS/CAE简介 .............................................................................................................. 4 2.3 单位制 ............................................................................................................................... 5 3 上机实验1——平面问题应力集中分析 .................................................................................... 6
3.1 问题描述 ........................................................................................................................... 6 3.2 目的和要求 ....................................................................................................................... 6 3.3 操作步骤 ........................................................................................................................... 6 3.4 上机报告要求 ................................................................................................................. 16 4 上机实验2——工字梁的模态分析 .......................................................................................... 17
4.1 问题描述 ......................................................................................................................... 17 4.2 目的和要求 ..................................................................................................................... 17 4.3 操作步骤 ......................................................................................................................... 17 4.4 上机报告要求 ................................................................................................................. 21 5 上机实验3——瞬态动力学分析 .............................................................................................. 22
5.1 问题描述 ......................................................................................................................... 22 5.2 目的和要求 ..................................................................................................................... 22 5.3 操作步骤 ......................................................................................................................... 22 5.4 上机报告要求 ................................................................................................................. 30
1 引言
本篇是《产品虚拟设计综合实验》的第二部分——基于ABAQUS的机械产品性能分析。通过上机，掌握ABAQUS软件的使用方法，学会利用有限元法分析工程问题，为将来在设计和研究中利用该类大型通用CAD/CAE软件进行工程分析奠定初步基础。本手册涉及ABAQUS软件的静态分析、模态分析和动态分析。
2 ABAQUS 软件
ABAQUS是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非线性模拟问题。ABAQUS具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库，并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能。作为通用的模拟分析工具，ABAQUS不仅能解决结构分析中的问题（应力/位移），还能模拟和研究其它各种领域中的问题，如热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热——电耦合分析）、声学分析、土壤力学分析（渗流——应力耦合分析）和压电介质力学分析等。 2.1 ABAQUS分析步骤
有限元分析包括以下三个步骤：前处理、分析计算和后处理，这三个步骤在ABAQUS/CAE中的实现方法如下。 1）前处理（ABAQUS/CAE）
在前处理阶段需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件。ABAQUS/CAE是完整的ABAQUS运行环境，可以生成ABAQUS模型、交互式地提交和监控分析作业，并显示分析结果。ABAQUS/CAE分为若干个功能模块，每一个模块定义了模拟过程的一个方面，例如，定义几何形状、材料性质和网格等。建模完成后，ABAQUS/CAE可以生成ABAQUS输入文件，提交给ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit。
2）分析计算（ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit）
在分析计算阶段，使用ABAQUS/standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，通常以后台方式运行，分析结果保存在二进制文件中，以便于后处理。完成一个求解过程所需的时间取决于问题的复杂程度和计算机的运算能力．可以从几秒到几天不等。
3）后处理（ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer）
ABAQUS/CAE的后处理部分又称为ABAQUS/Viewer，可以用来读入分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云图、动画、变形图和XY曲线图等。
2.2 ABAQUS/CAE简介
ABAQUS/CAE的主窗口包括以下组成部分，如图2.1所示。
模型树标题栏环境栏工具栏主菜单视图区信息区或命令行接口工具区提示区画布和作图区图2.1 ABAQUS/CAE的主窗口
1）标题栏（title bar）
标题栏显示了ABAQUS/CAE的版本和当前模型数据库的名称。 2）环境栏（context bar）
ABAQUS/CAE包括一系列功能模块（module），其中每一模块完成模型的一种特定功能。通过环境栏中的Module列表，可以在各功能模块之间切换。环境栏中的其它项则是当前正在操作模块的相关功能。例如，在Part功能模块中，可以通过环境栏切换不同的部件。 3）工具栏（toolbar）
工具栏提供了菜单功能的快捷访问方式，这些功能也可以通过菜单直接访问。
4）主菜单（menu bar）
菜单栏中包含了所有当前可用的菜单，通过对菜单的操作，可以调用
ABAQUS/CAE的全部功能。用户选择不同的功能模块时，菜单栏中所包含的菜单项也会有所不同
5）模型树（model tree）
模型树直观地显示出模型的各个组成部分，如部件、材料、分析步、载荷和输出要求等。使用模型树可以很方便地在各功能模块之间进行切换，实现主菜单和工具栏所提供的大部分功能。 6）工具区（toolbox area）
当用户进入某一功能模块时，工具区就会显示该功能模块相应的工具，帮助用户快速调用该模块的功能。
7）画布和作图区（canvas and drawing area）
用户可以在这个区域中摆放视图（viewport）。 8）视图区（viewport）
模型显示在视图区中。 9）提示区（prompt area）
在进行各种操作时，会在这里显示相应的提示。 10）信息区（message area）
信息区中显示状态信息和警告。这里也是命令行接口（command line interface）的位置。通过主窗口左下角的选项页，可以在二者之间切换。 11）命令行接口（command line interface）
利用ABAQUS/CAE内置的Python编译器，可以使用命令行接口键入Python命令和数学计算表达式。 2.3 单位制
ABAQUS本身没有单位系统，在建模时必须采用一致的单位系统，如表2.1所示。在输入弹性模量和密度时，一定要注意所采用的单位系统。本书中采用表2.1中的第二种单位系统。
表2.1 一致的单位系统
量
国际单位制 国际单位制（mm）
长度 m mm
力 N N
应力 Pa（N/m2）
质量 kg
密度 kg/m3
MPa（N/mm2） tonne（103kg） tonne/mm3