悬臂梁有限元ABAQUS线性静力学分析实例.docx
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悬臂梁有限元ABAQUS线性静力学分析实例
线性静力学分析实例——以悬臂梁为例
线性静力学问题是简单且常见的有限元分析类型，不涉及任何非线性（材料非线性、几何非线性、接触等），也不考虑惯性及时间相关的材料属性。
在ABAQUS中，该类问题通常采用静态通用（Static，General）分析步或静态线性摄动（Static，Linearperturbation）分析步进行分析。
线性静力学问题很容易求解，往往用户更关系的是计算效率和求解效率，希望在获得较高精度的前提下尽量缩短计算时间，特别是大型模型。
这主要取决于网格的划分，包括种子的设置、网格控制和单元类型的选取。
在一般的分析中，应尽量选用精度和效率都较高的二次四边形/六面体单元，在主要的分析部位设置较密的种子；若主要分析部位的网格没有大的扭曲，使用非协调单元（如CPS4I、C3D8I）的性价比很高。
对于复杂模型，可以采用分割模型的方法划分二次四边形/六面体单元；有时分割过程过于繁琐，用户可以采用精度较高的二次三角形/四面体单元进行网格划分。
悬臂梁的线性静力学分析
1.1问题的描述
一悬臂梁左端受固定约束，右端自由，结构尺寸如图1-1所示，求梁受载后的Mises应力、位移分布。
材料性质：
弹性模量
，泊松比
均布载荷：
F=103N
图1-1悬臂梁受均布载荷图
1.2启动ABAQUS
启动ABAQUS有两种方法，用户可以任选一种。
（1）在Windows操作系统中单击“开始”--“程序”--ABAQUS6.10--ABAQUS/CAE。
（2）在操作系统的DOS窗口中输入命令：
abaquscae。
启动ABAQUS/CAE后，在出现的StartSection（开始任务）对话框中选择CreateModelDatabase。
1.3创建部件
在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：
Module：
Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。
可以参照下面步骤创建悬臂梁的几何模型。
（1）创建部件。
对于如图1-1所示的悬臂梁模型，可以先画出梁结构的二维截面（矩形），再通过拉伸得到。
单击左侧工具区中的（CreatePart）
按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图1-2所示的CreatePart对话框。
图1-2CreatePart对话框
在Name（部件名称）后面输入Beam，ModelingSpace（模型所在空间）设为3D，Shape选择Solid（实体），Type采用默认的Extrusion，在Approximatesize里面输入300。
单击Continue...按钮。
注意：
如果无法输入字符，原因可能是当前正处于中文输入法的状态，应切换到英文输入法。
（2）绘制矩形。
ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即当前二维区域的X轴和Y轴。
二者相交于坐标原点。
选择绘图工具箱中的
工具，窗口提示区显示Pickastartingcornerfortherectangle--orenterX,Y（选择矩形的一个角点，或输入X,Y的坐标），如图1-3所示。
图1-3输入点坐标
输入矩形的第一个点得坐标为（-100,10），移动光标选择与该店相对的点得坐标为（100，-10），单击鼠标左键，矩形就画出来了。
如果在绘制过程中操作有误，可以单击绘图工具箱的撤销工具
来撤销上一步操作，也可以使用删除工具
来删除错误的几何图形，具体操作步骤入校所示。
a单击绘图工具箱中的删除工具
。
b在所绘图形中选择要删除的线或者图形，ABAQUS/CAE以红色高亮显示被选中的对象。
提示：
如果想删除多个对象，可以在单击此对象的同时按住Shift键，或者按住鼠标左键不放，在视图区中画出一个矩形框，选中矩形框中的对象。
如果想取消对某对象的选择，可以在单击此对象的同时按住Ctrl键。
c在视图区单击鼠标中键，或者单击提示区中的Done按钮，结束对删除工具
的使用。
d根据需要，重复a、b、c步骤。
注意：
在确认结束某一步操作的时候，一般总是在视图区中单击鼠标中键，或者单击窗口底部提示区的Done按钮（完成），一下不再赘述。
（3）由于前面操作中，已经选择了Extrusion类型，在上一步退出后，ABAQUS即弹出“编辑基本拉伸”对话框。
在该窗口中，输入拉伸尺寸30，如图1-4所示。
然后单击OK按钮，视图区就出现了悬臂梁的结构图，如图1-5所示。
图1-4“编辑基本拉伸”对话框
图1-5形成的悬臂梁结构图
（4）保存模型。
在下一步之前，单击窗口顶部工具栏中的
按钮来保存所建立的模型。
键入希望保存的文件名，ABAQUS/CAE会自动加上后缀.cae。
用户还可以在主菜单中选择File--Save对所建立的模型进行保存操作。
此处把该部件取名为beam。
说明：
ABAQUS/CAE不会自动保存模型的数据，用户每隔一段时间自己保存模型。
如果由于意外造成系统死机或者无法自动退出ABAQUS/CAE，下次启动时就会显示自动恢复的对话框，选择Yes就可以自动恢复尚未保存的数据，但是有时会因为恢复文件中存在错误，出现自动恢复失败，所以建议用户养成经常保存模型的习惯。
1.4创建材料和截面属性
在窗口左上角Module（模块）列表中选择Property（特性）功能模块，按照以下步骤来定义材料。
（1）创建材料。
单击工具区左侧的
（CreateMaterial）按钮，或者在主菜单中选择Material--Create，弹出EditMaterial对话框（也可以双击左侧模型树中的Material来完成此操作），如图1-6所示。
图1-6EditMaterial对话框
在Name（材料名称）后面输入Steel，单击此对话框中的Mechanical（力学特性）--Elasticity（弹性）。
在数据表中设置Young’sModulus（弹性模量）为2e3，Poisson’sRatio（泊松比）为0.3，其余参数不变，如图1-7所示，单击OK按钮。
图1-7输入弹性模量和泊松比
说明：
在ABAQUS/CAE中，如果希望修改或撤销已经完成的操作，可以在窗口左侧的模型树中找到此操作，在上面单击鼠标右键，选择Edit或者Delete。
在绘制二维平面图时，可以单击绘图工具箱中的
按钮来撤销上一步操作。
（2）创建截面属性。
单击左侧工具区的
（CreateSection）按钮，或者在主菜单中选择Section--Create，弹出CreateSection对话框（也可以双击左侧模型树中的Section来完成此操作），Name改为BeamSection，保持其他默认参数不变，单击Continue...按钮。
在弹出的EditSection对话框（见图1-8）中，默认的参数（Material：
Steel；Type：
Solid，Homogeneous；Planestress/strainthickness：
1）不变，单击OK按钮。
图1-8EditSection对话框
（3）给部件赋予截面属性。
单击左侧工具区中的
（AssignSection）按钮，或者在主菜单中选择Assign--Section，单击视图区中的悬臂梁模型，ABAQUS/CAE以红色高亮显示被选中，在视图区单击鼠标中键，弹出EditSectionAssignment对话框，如图1-9所示，单击OK按钮。
图1-9EditSectionAssignment对话框
说明：
ABAQUS/CAE不把材料属性直接赋予单元或者几何实体，而是首先在截面属性（Section）中定义材料特性，再为每个部件赋予相应的截面属性。
注意：
ABAQUS/CAE推荐的建模方法是把整个数值模型（如材料、载荷、边界条件等）都直接定义在几何模型上，而不是像其他前处理器一样定义在单元或者节点上，这样在修改网格时不必重新定义材料和边界条件等模型参数。
这样在处理复杂问题时，可以首先简单地划分粗网格，得到初步的模型结果，然后再适当的区域细化网格。
1.5定义装配件
整个分析模型是一个装配件，前面的Part功能模型中创建的各个部件将在Assembly功能模块中装配起来。
具体的操作方式：
在窗口左上角Module列表中选择Assembly（装配）功能模块。
单击左侧工具区的
（InstancePart）按钮，或者在主菜单中选择Instance--Create（也可以直接单击左侧模型树中的Assembly左侧的+号，然后双击其下一层的Instance来完成此项操作）。
在弹出的CreateInstance对话框中（见图1-10），前面创建的部件beam自动被选中，默认参数为InstanceType：
Dependent（meshonpart），单击OK按钮。
1.6设置分析步
ABAQUS/CAE会自动创建一个初始分析步（Initialstep），可以在其中施加边界条件，用户必须自己创建后续分析步（analysisstep），用来施加载荷。
具体操作方法如下。
图1-10CreateInstance对话框
（1）在窗口左上角的Module列表中选择Step（分析步）功能模块。
单击左侧工具区的
（CreateStep）按钮，或者在主菜单中选择Step--Create（也可以直接单击左侧模型树中的Steps来完成此项操作）。
（2）在弹出的CreateStep对话框中，在Name后面输入分析步的名称，此处将默认值Step-1改为loadbeam。
其余参数如图1-11所示（Proceduretype：
General；选择StaticGeneral），单击Continue...按钮。
图1-11CreateStep对话框
（3）在弹出的EditStep对话框（见图1-12）中，Description后面改为Loadthetopofthebeam，其余参数都保持默认值，单击OK按钮，完成操作。
图1-12EditStep对话框
1.7定义边界条件和载荷
在窗口左上角的Module列表中选择Load（载荷）功能模块，定义边界条件和载荷。
1施加载荷
单击左侧工具区的
（CreateLoad）按钮，或在主菜单中选择Load--Create（也可以直接单击左侧模型树中的Loads来完成此项操作）。
在弹出的CreateLoad对话框中（见图1-13），在Name后输入Pressure；将TypesforSelectedStep（所选分析步的载荷类型）设为Pressure（单位面积上的压力），Step设为loadbeam，单击Continue...按钮。
图1-13CreateLoad对话框
此时窗口底部的提示区信息变为Selectsurfacesfortheload，单击悬臂梁的上表面，ABAQUS/CAE以红色高亮显示所选中的表面，在视图区中单击鼠标中键。
在弹出的EditLoad对话框（见图1-14），在Magnitude后面输入压力103，然后单击OK按钮。
施加载荷后的悬臂梁模型如图1-15所示。
图1-14EditLoad对话框
图1-15施加载荷后的模型
说明：
载荷类型Pressure的含义是单位面积上的力，正值表示压力，负值表示拉力。
2定义悬臂梁左侧的固支约束
单击工具区左侧的
（CreateBoundaryCondition）按钮，或者在主菜单中选择BC--Create（也可以直接单击左侧模型树中的BCs来完成此操作）。
在弹出的CreateBoundaryCondition对话框中（见图1-16），在Name后面输入BC-2，其余参数都保持默认值，单击Continue...按钮。
图1-16CreateBoundaryCondition对话框
此时窗口底部的提示区信息变为Selectregionsfortheboundarycondition，选择悬臂梁左侧的面，ABAQUS/CAE以红色高亮度的显示选中的平面，如图1-17
所示，在视图区中单击鼠标中键。
图1-17选择施加边界条件的悬臂梁模型
图1-18EditBoundaryCondition对话框
说明：
施加边界条件时，要准确地选中要选择的边界面。
如果发现单击后悬臂梁其他部分的面被ABAQUS/CAE红色高亮度显示，说明刚才选中了显示的位置。
这时应重新单击正确的位置。
提示：
为了更好的选中位置，可以借助菜单栏下的工具栏中的（RotateView）按钮把悬臂梁旋转到合适的位置，单击鼠标中键。
再根据窗口下面提示区的提示，在旋转后的模型中选中需要施加边界条件的面。
在弹出的EditBoundaryCondition对话框中（见图1-18），在ENCASTRE前的方框中打钩，单击OK按钮，结果如图1-19所示。
图1-19创建边界条件后的悬臂梁模型
1.8划分网格
在窗口左上角的Module列表中选择Mesh（网格）功能模块，在窗口顶部的环境栏中把Object选项设为Part：
beam，如图1-20所示，即为部件beam划分网格，而不是为整个装配件划分网格。
图1-20把划分网格的对象设置为Part：
beam
说明：
如果没有选择对部件划分网格，而是按照默认选项来对整个装配件划分网格，接下来的操作就会出现错误信息。
1设置网格控制参数
在主菜单中选择Mesh--Controls命令，或单击左侧工具区的
（AssignMeshControls）按钮，弹出MeshControls（网格控制参数）对话框，将ElementShape（单元形状）设置为Hex，Technique设置为Structured，如图1-21所示，单击OK按钮。
图1-21MeshControls对话框
2设置单元类型
单击左侧工具区的
（AssignElementType）按钮，或者在主菜单中选择Mesh--ElementType，弹出ElementType对话框，如图1-22所示。
图1-22ElementType对话框
单击Hex标签项，选择Inpatiblemodest，对话框中就出现了C3D8I单元类型的信息提示。
其余参数采用默认值，单击OK按钮。
3设置种子
在左侧工具区用鼠标单击
（SeedPart）按钮，或者直接在主菜单中选择Seed--Part...，就会出现GlobalSeeds对话框，选择单元大小默认值：
10，如图1-23所示，单击OK按钮。
图1-23GlobalSeeds对话框
4划分网格
单击左侧工具区的
（MeshPart）按钮，或者在主菜单中选择Mesh--Part，窗口底部的提示区显示OKtomeshthepart?
（为部件划分网格？
），在视图区单击鼠标中键，或直接单击提示区中的Yes，得到如图1-24所示的网格。
图1-24生成的网格
说明：
本例题的目的是通过一个简单的模型，让用户初步了解ABAQUS/CAE的建模方法，因此使用了比较简单的网格划分方法，得到的网格比较粗糙，计算得出的悬臂梁固定端处的应力结果将不会太准确。
如果希望更准确地分析此悬臂梁受均布载荷的问题，可以进一步细化网格。
5检查网格
单击工具区中的VerifyMesh（检查模型）工具
，在视图区选择悬臂梁部件，单击鼠标中键，弹出VerifyMesh对话框，如图1-25所示。
在Type栏内选择Analysischecks（分析检查），单击Highlight按钮，显示没有任何错误或警告信息。
图1-25检查模型网格划分
1.9提交分析作业
在窗口的左上角的Module列表中选择Job（分析作业）功能模块。
1创建分析作业
单击左侧工具区的
（JobManager）按钮，或者在主菜单中选择Job--Manager，弹出JobManager对话框，如图1-26所示，单击Create...（创建新的作业）按钮，在Name后面输入Deform，单击Continue...按钮，弹出EditJob对话框，如图1-27所示，将Description设为Cantileverbeam，其他各参数保持默认值，单击OK按钮。
图1-26JobManager对话框
图1-27EditJob对话框
2提交分析
在JobManager对话框中单击Submit（提交分析）按钮。
看到对话框中的Status（状态）提示依次变为Submitted，Running和pleted，这表明对模型的分析已经完成。
单击此对话框中的Results（分析结果）按钮，自动进入Visualization模块。
提示：
如果Status提示变为Aborted（分析失败），说明模型存在问题，分析已经终止。
可以单击对话框中的Monitor（监视器）来检查错误信息，然后检查前面各个建模步骤是否都已经准确完成，更正错误后，重新提交分析。
说明：
在ABAQUS/CAE对话框的底部常常可以看到两个按钮：
Dismiss和Cancel，他们的作用都是关闭当前对话框，二者的区别在于：
Dismiss按钮出现在包含只读数据的对话框中；Cancel按钮出现在允许作出修改的对话框中，单击Cancel按钮可以关闭对话框，而不保存所修改的内容。
1.10后处理
看到窗口左上角的Module列表已经自动变成Visualization功能模块，在视图区显示出模型未变形时的轮廓图。
1显示未变形图
单击左侧工具区的
（PlotUndeformedShape）按钮，或者在主菜单中选择Plot--UndeformedShape，显示出未变形的网格模型，如图1-28所示。
图1-28未变形的网格模型
2显示变形图
单击左侧工具区的
（PlotDeformedShape）按钮，或者在主菜单中选择Plot--DeformedShape，显示出变形后的网格模型，如图1-29所示。
图1-29变形后的网格模型
单击窗口右下角的DeformedShapeOptions，在弹出的对话框中选择Superimposeundeformedplot（覆盖未变形图），单击OK按钮，看到变形图和未变形图的模型一起显示出来。
3显示云纹图
单击左侧工具区中的
（PlotContoursonDeformedShape）按钮，或者在主菜单中选择Plot--Contours，显示出Mises应力的云纹图，如图1-30所示。
图1-30变形后的Mises应力分布
4显示动画
单击左侧工具区的（Animate：
ScaleFactor）按钮，可以显示缩放系数变化时的动画，再次单击此图标即可停止动画。
5显示节点的Mises应力值
单击窗口顶部工具栏中的
（QueryInformation）按钮，或者在主菜单中选择Tools--Query（查询），在弹出的Query对话框（见图1-31）中，选择Probevalues（查询值），然后单击OK按钮。
图1-31查询分析结果
在弹出的ProbeValues对话框（见图1-32）中，将Probe（查询对象）设为Nodes，选中S，Mises，然后将鼠标移至悬臂梁的任意位置处，此节点的Mises应力就会在ProbeValues对话框中显示出来。
6查询节点的位移
在ProbeValues对话框中单击FieldOutput，弹出FieldOutput对话框，如图1-33所示，当前的默认输出变量是Name：
S（名称：
应力）、Invariant：
Mises（变量：
Mises应力）。
图1-32ProbeValues对话框
将输出变量改为Name：
U（名称：
位移）、ponent：
U2（变量：
在方向3上的位移），单击OK按钮，此时云纹图变成对U2的结果显示，如图1-34所示。
将鼠标移至所关心的节点处，此处的U2就会在ProbeValues对话框中显示出来，如图1-35所示，单击Cancel可以关闭此对话框。
图1-33选择方向2上的变形U2作为当前的显示结果
图1-34云纹图：
方向U2上的变形
图1-35显示数值：
节点243处在方向2上的位移U2
1.11退出ABAQUS/CAE
至此，对此例题的完成分析过程已经完成。
单击窗口顶部工具栏中的
按钮来保存模型，然后单击窗口右上方的
按钮，或者在主菜单中选择File--Exit，退出ABAQUS/CAE。
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