Abaqus课程设计论文.docx

1、Abaqus课程设计论文 课程论文题 目：球体接触问题的有限元分析* 学 院：理学院班 级：工程力学12-1班 指导教师：韦广梅、周承恩 2015年9月26日内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称： 有限单元法课程设计 学院：理学院 班级： 力学12-1班 _ 学生姓名： 李劲波 学号：*39 指导教师： 韦广梅、周承恩 一、题目球体接触问题的有限元分析二、目的与意义有限单元法课程设计是“有限单元法”课程的课程设计，本课程设计的目的是使学生应用和拓展所学“有限单元法”课程的理论，使学生学会用大型商用有限元软件进行有限元分析，为毕业论文的完成和毕业后从事专业工作做好计算分析的准备。 三、要

2、求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 1、内容：椭球与平面接触2、原始数据：1.半无限大体，椭球三半轴为50，50，70mm。50mm半轴与半无限大体表面垂直。接触压力为30kN。 材料参数：E=210 Gpa，=0.33、要求： 1.建立有限元模型，研究接触区域形状，应力分布。求二者内部最大的应力及位置。2.如果材料为理想弹塑性，屈服极限350MPa，分析接触区域形状及应力应变分布情况。四、工作内容、进度安排 1、熟悉有限元商用软件（1周）。2、在有限元商用软件平台上对题目进行设计（1周）。3、结果分析、报告形成（1周）。五、主要参考文献1、庄茁，基于ABAQUS的有

3、限元分析和应用，清华大学出版社，20092、王勖成。有限单元法（FINITE ELEMENT METHOD）北京：清华大学出版社，2005；3、梁力，宋瑞强等。新型挂梁结构恒载力学特性的有限元数值分析，辽宁：自然科学出版社，2002第23卷。4、刘齐茂，李微。基于有限单元法的钢-混凝土组合梁截面优化设计 西安建筑科技大学学报，2005年12月，37审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 年 月 日指导教师签字：_摘 要许多工程问题都涉及两个或多个部件之间的接触，在这些问题中，当两个物体彼此接触时，垂直于接触面上的力作用在两个物体上。如果在接触面之间存在摩擦，可能产生剪力以阻止物体的

4、切向运动。本文主要是运用ABAQUS软件对椭球体与刚性半无限大体接触问题进行探讨，因为椭球体是前后左右都对称的三维实体，所以对它取四分之一分析，这样不仅计算方便而且结果直观。先将材料定义为弹性材料通过前处理建模、计算、后处理来分析椭球体与大体之间的接触，运用多种方法讨论接触问题。结果得到的数据远超弹性屈服极限，后将材料重新赋值为弹塑性，仿照弹性的分析方法对弹塑性进行分析，得到的结果完全正确。关键词：接触；ABAQUS；弹塑性；屈服极限AbstractMany engineering problems involve contact between two or more components,

5、 in these problems, when two objects come into contact with each other, on the surface of the perpendicular to the contact force between two objects. If there is friction between contact surface, shear may be produced to prevent the tangential motion of the object. This article mainly using ABAQUS s

6、oftware to ellipsoid and rigid semi-infinite discusses the general contact problem, because the ellipsoid is before and after the left and right sides is symmetrical three-dimensional entity, so take a quarter analysis to it, that not only the calculation results of convenient and intuitive. Before

7、the adoption of the first material is defined as elastic material modeling, calculation, after processing to analyze between ellipsoid and general contact, using a variety of methods to discuss contact problem. Than elastic yield limit, the resulting data will reopen assignment for elastic-plastic m

8、aterials, imitates the elastic analysis method of elastic-plastic analysis, get the right result.Key words: Contact; ABAQUS; Elastic-plastic; Yield limit 第一章 绪论1.1 有限单元法课程设计目的与任务 11.2 接触问题概述 11.3 有限元法概述 1第二章 有限元工具ABAQUS介绍及应用方法 32.1 ABAQUS简介 32.2 ABAQUS功能简介 3第三章 椭球平面接触问题有限元分析 7 3.1 平面球接触问题描述 7 3.2 用A

9、BAQUS建立有限元模型 7 3.2.1 建立实体 7 3.2.2 赋值材料与装配部件 8 3.2.3 创建分析步 8 3.2.4 定义接触和边界条件 9 3.2.5 划分网格 93.2.6 计算及后处理 103.2.7 理想弹塑性分析 11第四章 结论与收获 14参考文献 15第一章 绪论1.1有限单元法课程设计目的与任务目的：有限单元法课程设计是“有限单元法”课程的拓展部分。本课程设计的目的是使学生结合所学的力学知识和基础理论，应用和拓展“有限单元法”课程，初步学会用大型商用有限元软件进行力学分析，为以后从事专业工作做好计算分析的准备。任务：使用有限元商用软件进行力学分析。1.2 接触问题

10、概述弹性力学中研究的两接触物体受压力后产生局部应力和变形的问题的统称。轴承、凸轮机构、齿轮、硬度计、轧钢机的轧辊、桥梁支座和刚性压头等在使用中都有接触问题。接触问题曾是应用数学力学家面临的一大难题。在过去一百多年的研究中，产生了一系列有效的数学方法。 材料在接触区的变形受到各个方面的限制，因而处于三向应力状态。接触应力具有明显的局部性质，而且总是随着离开接触区距离的增大而迅速衰减。一般在接触表面中心的压应力最大。影响接触应力的因素很多，其中主要的有：残余应力（由于接触点附近应力很大，有时会进入塑性状态而引起残余应力）；热应力（两接触面相对滑动时摩擦会引起热应力）；润滑，它影响热应力及切向载荷，

11、还可能产生动压油膜而影响接触应力的大小及分布；接触面的几何形状偏差等。目前，在解决弹性体接触问题方面已采用有限元法，通过它可计算各种形状、材料和载荷下的接触问题，并且所得的结果精度较高。1.3 有限元法概述有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(

12、如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。第二章 有限元工具ABAQUS介绍及应用方法2.1 ABAQUS简介ABAQUS是一种有限元素法软件，用于机械、土木、电子等行业的结构和场分析。ABAQUS早年属于美国HKS公司的产品，于2000年代中期卖给了达索公司，该软件又被称为达索SIMULIA。ABAQUS非常适合用作科学研究。作为一种功能强大的有限元分析软件，ABAQUS在商业有限元软件中占有极其重要的位置。从简单的线弹

13、性问题到复杂的几何非线性和材料非线性问题均获得了广泛应用。其有效性不论在工程应用还是在科学研究方面均得到了验证。ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为，特别是其提供了UMAT和UEL，为研究者提供了开发平台。2.2 ABAQUS功能简介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。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

14、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。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。1.Part模块ABAQUS/CAE:PartmodulePartCreate，可以创建Planar和Axisym-metric类型几何模型，几何模型的类型可以是变形体和刚体，几何属性可以为实体、

15、壳、线和点。这里值得注意的是轴对称问题被单独提出来进行分析，而平面应力和平面应变问题则被包含在2DPlanar中。生成Part后，为了对Part不同部分赋予不同材料参数、接触的定义、规则网格划分等原因，往往需要对Part进行切割，切割一般需要进行两步操作才能完成，首先是定义切割平面，定义方式:PartmoduleToolsDatum进行定义，对于切割平面很多时候是采用Offsetfrom principal plane(xy plane,xzplane和yzplane),Offsetfromplane和3 points。工作平面定义完成后就可以进行切割了，切割的操作方式为:Partmodule

16、ToolsPartition.2.Property模块该模块主要用于定义材料的本构模型，ABAQUS中封装了大量可用于土木工程的本构模型，通过PropertyMaterialCreateMechanical进行定义。完成力学定义行为并给定材料名称后，接着通过PropertySectionCreate定义断面(section)，建立与材料属性相关联的断面，然后通过PropertyAssignSection对不同Part或Part的不同部分(可定义为set)进行材料赋值。这里需要强调的是对干梁单元需要通过PropertyProfileCreate建立梁的几何断面，同时还要通过PropertyAss

17、ignBeamSectionOrientation对梁单元断面方向进行定义。3.Assembly模块任何一个结构都可以视为一个Instance，它由很多个Part构成，Part间连续、接触或通过螺栓等形式连接。通过AssemblyInstanceCreate建立由不同Part构成的In-stance，可以对Instance中的Part进行移动、旋转等操作，更主要的是可以对Instance中的Part进行布尔运算，如AssemblyInstanceMerge/Cut，在合并操作中对相交边界有删除(Remove)和保留(Retain)两个选项，后一选项在很多时候用得更多，因为进行Merge/Cut

18、操作后，先前的多个Part生成了一个新的Part，选择“保留”选项后可以进人到Property模块对同一Part不同部分赋予不同材料参数。4.Step模块进人StepCreate，分析类型(Proceduretype)有两类，其一为Linear perturbation,包括Buckle,Frequency,Static,Linear pertubation和Steadystatedynamics,Direct四部分，应用更多的是频率的计算和振型的提取；其二为General，几乎包含了所有的分析类型，具体包含Coupledtemp-displacement，用干温度位移场的祸合分析，如热辐射使

19、结构温度升高，因变温而使受约束结构产生温度应力；Coupledthermal-electric，主要用于压电材料的分析;Dynamic,Implicit，隐式动力分析；Dynamic,Explicit，显式动力分析；Dynamic,Temp-disp,Explicit，显式温度位移分析;Geostatic，地应力场计算，在岩土工程中地应力场的准确确定决定了后继计算结果的有效性；Heattransfer，热传导计算分析；Massdiffusion；Soils，土的固结分析；Static,General，一般的静力分析；Static,Riks，弧长法静力分析；Visco，粘弹性及蠕变分析。荷载步中

20、增量步分为两种:自动增量法和固定时间增量法，同时在荷载步中要给出最大迭代次数等参量。5.Interaction模块结构中各个构件间的连接形式千差万别，连接形式对结构在外荷载作用下响应的影响至关重要。在该模块中，主要包含四部分，具体为Interaction,Constraint,Connector,SpecialoInteractionInteractionProperty，定义接触面间的接触属性，包括定义摩擦系数等参量;由InteractionInteractionCreate创建由接触面和目标面构成的接触对，应用最多的是Surface-to-surfacecontact接触问题，如结构物与土

21、之间的接触问题。由InteractionConstraintCreate,Tie,Coupling,Shell-to-solidcoupling,Em-beddedregion,Equation等约束条件，其中Tie约束适用于约束面间网格划分不一致但变形又连续的情况。而Embeddedregion功能可能模拟加筋对基体的增强功能，如钢筋混凝土实体结构(不是采用壳或梁进行模拟)，分别创建钢筋和混凝土模型，然后将钢筋埋置到混凝土结构中去。InteractionConnectorCreate，主要用于构件间的U型连接、焊接、铰接等连接的模拟，这一点在机械工程中具有重要的应用价值。Interactio

22、nSpecialInertia，用于定义结构中的集中质量和惯性矩，这主要应用在悬索桥梁及高层建筑的地震分析中。InteractionSpecialCrack，用于定义结构中的裂纹及裂尖，为后继网格划分生成奇异单元奠定基础。InteractionSpecialSpring/Dash-pot，定义弹簧和阻尼器。6.Mesh模块网格划分前需要对Part定义种子(Seeds)，通过MeshSeedEdgeByNumber(EdgeBySize,EdgeBiased)完成种子的定义，对几何模型的边可以均匀划分，也可按等比数列进行划分。具体划分的数目和方法要通过数值模拟试验确定，最终与理论解或试验结果进行

23、对比以确定经济合理的网格划分规模。7.Job模块通过JobJobCreate创建Job的名字，分析完成后存储的相关文件的主文件名均为该Job名字。在Submission中包含Jobtype,RunMode和SubmitTime；在General下主要是Usersubroutinefile的选择;在Memory下主要是内存的划分;Parallelization设置并行计算的一些内容；Precision定义问题分析的精度。8.Visualization模块后处理部分主要包括变形图显示(VisualizationPlotDeformedshape)，输出变量的云状图(VisualizationPlo

24、tContours).输出结果包括场变量输出(Visualization-Result-Fieldoutput)和与时间有关的变量的输出(VisualizationResultHistoryoutput).也可以将后处理结果导出到外部文件中去(VisualizationReportXY,Fieldoutput)，以便进一步编辑和处理。9.Sketch模块通过该模块可以生成轮廓线或由外部文件导人生成轮廓线，对于土木工程来说，用得比较多的是Autocad绘图软件，在Autocad中生成的二维线转存为扩展名为DXF的文件，然后在ABAQUS/CAE下选择FileImportSketch就可导人到Sk

25、etch模块中。在创建Part时进人到Sketch界面下，由SketchAddSketch就可以将先前由Autocad导人的Sketch显示于当前界面下，进而创建所需要的Part。第三章 椭球平面接触问题有限元分析3.1 椭球平面接触问题描述椭球三半轴为50，50，70mm。50mm半轴与半无限大体表面垂直。接触压力为30kN。 材料参数：E=210 GPa，=0.3。用ABAQUS建一个椭球与相对较大的半无限解析刚体如图3-1，因为椭球是前后左右对称的图形，所以可以取四分之一进行接触分析。图3-1 模型图3.2 用ABAQUS建立有限元模型3.2.1 建立实体在part模块绘制四分之一椭球（

26、图3-2）和相对大的半无限大体（图3-3） 图3-2 椭球 图3-3 大体3.2.2 赋值材料与装配部件在Property模块对椭球进行材料赋值。先是创建一个材料命名为steel，材料参数：E=210 GPa，=0.3的弹性材料(图3-4），然后赋值给椭球体。因为大体为弹性刚体所以不能赋值材料默认即可。进入Assembly 模块，创建实体椭球和大体，通过平移使椭球与大体接触（图3-5）3.2.3 创建分析步 图3-4 创建材料 进入step模块，创建两个分析步step-1、step-2。对step-1选择默认，在step-2增量步中选择最小迭代为0.1(图3-6）。然后对Field outpu

27、t Requests Manager(场变量输出管理器)和 History output Requests Manager(历史变量输出管理器)进行设置输出所需要的数据。 图3-5 装配实体 图3-6 创建分析步3.2.4 定义接触和边界条件 在Interaction模块中定义大体上表面和椭球曲面小滑移接触，然后在load模块中对配件进行边界定义，创建四个边界条件如图3-7所示，对椭球的两个截面和大体的参考点进行约束，然后在上顶点施加一个向下0.1的位移（BC-4），最后对椭球施加一个向下的集中力得到如图3-8所示的图形 图3-7 定义边界条件 图3-8 边界条件图3.2.5 划分网格进入Me

28、sh模块，对椭球体进行单元网格划分。本题主要是研究椭球与大体接触部分的应力、应变状态，所以应该对接触部分进行细分，而其他不重要的部分粗分，这样可以使要研究对象能够得到最大限度的精度，也节约了计算时间和降低了复杂度。首先用seed part 对椭球进行粗糙划分，然后再用seed Edges对其采用single的细划分，最后通过Assign Mesh、Mesh part的处理得到划分好的椭球体（图3-9）。图3-9 划分网格3.2.6 计算及后处理上面的步骤完成之后进入Job模块，创建一个job然后对它进行Submit及Monitor得到椭球与大体接触的有限元计算结果如图3-10，然后点击Resu

29、lts进入Visualization模块，得到弹性材料Tresca云图（图3-11），通过放大下顶点得到接触处的弹性Mises云图（图3-12）图3-10 计算结果图3-11 Tresca应力云图图3-12 弹性Mises云图然后通过Query information指定上顶点与下顶点得到图3-13的最大应力结果图3-13 最大应力点由此可以看出椭球的接触部分已经远远超过弹性屈服极限，应该将材料重新定义为理想弹塑性进行分析，下面就将材料重新赋值。3.2.7 理想弹塑性分析重新定义材料只需进入属性模块对材料进行重新赋值即可，按照图3-14便可以得到重新赋值之后的理想弹塑性椭球体。然后重复弹性材料

30、的计算过程得到相应的计算结果（图3-15）。 图3-14 定义弹塑性材料 图3-15 弹塑性计算结果对计算的结果再次通过Visualization模块直观的观察接触面的变形情况。图3-16 弹塑性Mises应力云图 图3-17 放大的Mises云图通过Query information指定上顶点与下顶点得到图3-18的最大应力结果：图3-18 最大应力点因为椭球的上顶点加载的是集中力，出现了应力集中的现象，所以0，100，0的Mises值才会达到612.804MPa超过屈服极限，而接触部分不存在应力集中的问题所以没有超过屈服极限。第四章 结论与收获通过这次课程设计，在同学及两位老师的帮助下用A

31、BAQUS软件对物体间的接触问题，进行了印象深刻的有限元分析，通过前处理、计算、后处理了解了物体之间接触问题的分析方法，懂得了以后在做这方面题目的时候应该先以弹性分析问题，然后通过对结果的分析处理得到材料是否达到弹性屈服极限，若是到达则重新定义材料为弹塑性材料，然后重新计算分析得到最终的正确结果。这次课程设计我学到了很多东西，明白了所有的事情并不向想象的那么简单，而其中我感觉我学到最大的东西便是怎么使用ABAQUS这款软件，所以在这里对韦老师、周老师表示由衷的感谢，以后我也会认真的学习这款软件，争取在以后从事这方面的工作。参考文献1 庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用M.清华大学出版社，2009.2 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解M.机械工业出版社，2006.3 曹金凤,石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答M.机械工业出版社，2009.4 王勖成.有限单元法.清华大学出版社M，2003.5 刘齐茂，李微.基于有限单元法的钢-混凝土组合梁截面优化设计