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石亦平ABAQUS有限元分析实例详解之读后小结 (Part 4)

石亦平ABAQUS有限元分析实例详解之读后小结  (Part 4)


石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结

第九章 动态分析实例
[95] (pp280) ABAQUS 包括两大类方法: 振型叠加法(modal superposition procedure) :用于求解线性动态问题; 直接解法(direct-solution dynamic analysis procedure) :主要用于求解非线性动态问题。

提示:ABAQUS 的所有单元均可用于动态分析,选取单元的一般原则与静力分析相同。但在模拟
冲击和爆炸载荷时,应选用一阶单元,因为它们具有集中质量公式,模拟应力波的效果优于 二次单元所采用的一致质量公式。 [96] (pp281) 振型叠加法的基础是结构的各阶特征模态(eigenmode) ,因此在建模时要首先定义一个 频率提取分析步 (frequency extraction) 从而得到结构的振型 , (mode shape) 和固有频率 (natural frequency) ,然后才能定义振型叠加法的各种分析步。振型叠加法包括 4 种分析类型: (1) 瞬时模态动态分析 (transient modal dynamic analysis) 计算线性问题在时域 (time domain) 上的动态响应。用此分析要满足如下 5 个基本条件: (a) 系统是线性的(线性材料特性,无接触行为,不考虑几何非线性) 。 (b) 响应只受相对较少的频率支配。当在响应中频率的成分增加时(例如打击和碰撞问题) ,振 型叠加法的效率将会降低。 (c) 载荷的主要频率应该在所提取的频率范围之内,以确保对载荷的描述足够精确。 (d) 特征模态应该能精确地描述任何突然加载所产生的初始加速度。 (e) 系统的阻尼不能过大。 (2)基于模态的稳态动态分析(mode-based steady-state dynamic analysis) 在用户指定频率

内的谐波激励下, 计算引起结构响应的振幅和相位, 得到的结果是在频域 (frequency domain) 上的。其典型分析对象包括发动机的零部件和建筑物中的旋转机械等。 (3)反应谱分析(response spectrum analysis) 当结构的固定点处发生动态运动时,计算其峰 值响应(位移、应力等) ,得到的结果是在频域上的。其典型应用是计算在发生地震时建筑物 的峰值响应。 (4)随机响应分析(random response analysis) 当结构随机连续的激励时,计算其动态响应,

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石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结

表 9-1 动态分析的不同类型
分析类型 频率提取 ABAQUS/Standard 还是 ABAQUS/Explicit Standard Standard Standard Standard Standard Standard Standard Explicit Standard Standard 分析步类型 线性摄动分析步 线性摄动分析步 线性摄动分析步 线性摄动分析步 线性摄动分析步 通用分析步 通用分析步 通用分析步 线性摄动分析步 线性摄动分析步 在 ABAQUS/CAE 中的分析步名称 Frequency Modal, dynamics Steady-state dynamics, modal Response spectrum Random response Dynamics, Implicit Dynamics, Subspace Dynamics, Explicit Steady-state dynamics, Direct Steady-state dynamics, Subspace

振 型 叠 加 法

瞬时模态动态分析 基于模态的稳态动态分析 反应谱分析 随机相应分析 隐式动态分析

直 接 解 法

基于子空间的显式动态分析 显式动态分析 基于直接解法的稳态动态分析 基于子空间的稳态动态分析

表 9-2 ABAQUS/Standard 与 ABAQUS/Explicit 的主要区别
ABAQUS/Standard 单元库 分析步 材料模型 接触问题 求解技术 占用磁盘空间和内存 提供了丰富的单元库 通用分析步和线性摄动分析步 提供了丰富的材料模型 能够分析各种复杂的接触问题 使用基于刚度的求解技术,具有无条件稳定性 由于在增量步中作大量迭代,可能占用大量磁盘空间和内存 ABAQUS/Explicit 提供了适于显式分析的单元库,有些 ABAQUS/Standard 单元不能用于 ABAQUS/Explicit(如 C3D8I、C3D20R) 通用分析步 与 ABAQUS/Standard 的材料模型类似,但一个显著的区 别是提供了材料失效模型 分析复杂接触问题的能力优于 ABAQUS/Standard 使用显式积分求解技术,具有条件稳定性 所需的磁盘空间和内存小于 ABAQUS/Standard
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得到的结果是在频域上的,激励的表示方法是统计意义上的能量谱函数。其典型应用包括计算飞 机对扰动的响应和结构对噪声的响应等。 [97] (pp282) 直接解法包括 5 种分析类型: (1)隐式动态分析(implicit dynamic analysis) 应。 (2)基于子空间的显式动态分析(subspace-based explicit dynamic analysis) 分析弱非线性动态问题。不能用于接触问题的求解。 (3)显式动态分析(explicit dynamic analysis) 通过显式直接积分求解非线性动态问题。 直接分析结构 通过显式直接积分 通过隐式直接积分分析强非线性问题的瞬态动态响

(4)基于直接解法的稳态动态分析(direct-solution steady-state dynamic analysis) 的稳态简谐响应。 (5)基于子空间的稳态动态分析(subspace-based steady-state dynamic analysis) 态简谐响应。

分析结构的稳

[98] (pp283) 频率提取分析的目的是得到结构的振型和固有频率。 在使用各种振型叠加法进行线性动态 分析时,都首先要完成频率提取分析。在 DAT 文件中可查看各阶固有频率和有效质量。 [99] (pp283) 在任何动态分析中,都需要定义材料的密度。 [100] (pp284) ABAQUS/Standard 提供了 2 种特征值提取方法: (1)Lanczos 方法; (2)子空间迭代法(subspace iteration) 。

提示:当模型的规模较大,且需要提取多阶振型时,Lanczos 方法的速度更快;当需要提取的振型
小于 20 阶时,使用子空间迭代法的速度可能更快。 [101] (pp287) 在使用振型叠加法分析线性动态问题时,要保证在频率提取分析步中提取了足够数量的 模态,其判断标准是在主要运动方向上的总有效质量要超过模型中可运动质量的 90%。如果受约 束的节点占全部节点的比例很小,可以近似地认为模型中可运动的质量等于模型的总质量。 [102] (pp289) 在 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 中都可以使用 Rayleigh 阻尼。一般情况下, Rayleigh 阻尼对于大阻尼系统(大约超过临界阻尼的 10%)是不可靠的。定义阻尼的另一种方法 是使用直接模态阻尼,即与每阶模态相关的临界阻尼比,其典型区间范围是 1%~10%,一般可取 经验值 5%,这个值可以用于多种不同的模型。在 ABAQUS/Explicit 中不能使用直接模态阻尼。 [103] (pp294) 在材料特性中定义的阻尼只对直接解法起作用,而瞬时模态动态分析的阻尼则只能在分 析步中定义。 [104] (pp294) 删除原有的分析步后,在此分析步中定义的载荷、边界条件和接触等都会受到影响。 [105] (pp298) 显式动态分析的计算时间取决于单元总数,即所谓的“稳定时间增量步” 。模型中的最 小单元尺寸越小,弹性模量越大,密度越大,稳定时间增量步就越小,计算时间也就越长。因此 在显式动态分析中,不要随意地细化网格。

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第十章 复杂工程分析综合实例
[106] (pp304) 模拟螺钉预紧力有 2 种方式: (1) 施加螺栓载荷 (bolt load) ; (2) 定义过盈接触 (contact interference) 。 [107] (pp306) 创建部件的 4 种方法: (1)使用 Part 功能模块中提供的拉伸、旋转、扫掠、倒角和放样等特征来直接创建几何部件。 (2)通过导入已有的 CAD 模型文件来创建几何部件。 (3)通过导入 ODB 文件中的网格来创建网格部件。 (4)通过导入 INP 文件中的网格来创建网格部件。 [108] (pp307) 在导入 STEP 文件时,如果几何形状较复杂,有可能由于数值误差而无法顺利导入。这 时可以在 Create Part from Step File 对话框中选中 Convert to precise representation,让
ABAQUS/CAE 尝试自动修复错误。

[109] (pp310) 将定位约束转换为绝对位置,具体操作方法:Instance→Convert Constraints,选中 所有实体,然后在视图中点击鼠标中键。 [110] (pp316) 使用螺栓载荷可以模拟螺钉的预紧力和各种均匀预应力。定义螺栓载荷时,需要指定螺 钉上的一个受力截面以及载荷的方向和大小。施加螺栓载荷的方式有: (1)Apply force:指定预紧力。 (2)Adjust length:调整螺钉的长度。 (3)Fix at current length:保持螺钉当前的长度。

提示: “Fix at current length”只是在这一分析步的开始保持此长度,而在这一分析步结束时,
如果有其他外载荷,螺钉长度会相应地发生变化。 [111] (pp316) 螺栓载荷为正值时表示使受力部件缩短;为负值时表示使受力部件伸长。 [112] (pp318) 输出接触力有两种方法: (1)点击主菜单 Output→History Output Requests,设置历史输出变量为 CFN。 (2)使用关键词 *CONTACT PRINT,将接触力输出至 DAT 文件。具体操作方法: :Model→Edit Keywords。 对*CONTACT PRINT 的定义会自动延续到后面的分析步中, 因此只需在第一个 分析步中定义即可。 [113] (pp325) 过盈接触与载荷类似,无法在初始分析步中定义。 [114] (pp327) C3D8R 和 C3D8I 都适合于接触分析,二者得到的位移结果很相近。使用前者可以大大 缩短计算时间,但得到的节点应力结果较差。 [115] (pp328) 旋转周期结构(cyclic symmetry)有 2 种建模方法: ( 1 ) 在 基 本 结 构 两 侧 的 截 面 上 定 义 旋 转 周 期 对 称 约 束 , 相 应 的 关 键 词 为 *TIE, CYCLIC SYMMETRY 和*CYCLIC SYMMETRY MODEL。

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石亦平《ABAQUS 有限元分析实例详解》之读后小结

提示:
(a) 在 ABAQUS/CAE 中不能直接施加旋转周期对称约束,也不能在 Edit Keywords 对话框 中直接输入上述关键词,而只能通过手工修改 INP 文件,然后在 ABAQUS Command 窗口下输入命令 abaqus job = job_name 来提交分析作业。 (b) 旋转周期对称约束使两侧截面在相应位置的位移保持相同。这两个截面可以有不同的网 格,但其几何形状和尺寸必须是相同的。即使两侧截面的几何形状尺寸相同,如果在合伙 边界条件等因素造成两侧截面的位移不相同,也不能定义旋转周期对称约束。 (c) 过约束只会发生在旋转周期对称约束和接触的从面上。 (d) 如果在分析过程中模型出现周向位移, 或者在任意方向上出现大的位移或转动, 旋转周期 对称约束仍然是有效的。 (2)如果模型在分析过程中不会出现周向位移,则可以定义局部基准柱坐标系(轴 1 为径向的 R 轴,轴 2 为周向的 T 轴,轴 3 为旋转轴 Z 轴) ,然后在基本结构两侧的截面上定义关于 T 轴的对称边界条件,其相应的关键词为*TRANSFORM。 [116] (pp334) 修改几何实体后,原有的网格已被删除,已设置的种子也可能发生变化,需要重新划分 网格。 [117] (pp334) 不要颠倒旋转周期对称约束的主面和从面,因为在主面所在的位置还要定义对称边界条 件。如果将这个面定义为从面,此面上各节点的自由度都会被消除,对称边界条件也将不再起作 用。 [118] (pp341) 重启动分析包括 3 个步骤: (1)在基础模型中输出重启动数据。默认情况下,ABAQUS 不会输出重启动数据,需要在基础模 型的分析步中设置重启动分析参数,其相应关键词为
*RESTART, WRITE, FREQUENCY = <输出重启动分析数据的时间增量步间隔>

(2)定义重启动分析

在 ABAQUS/CAE 中可以定义重启动分析,也可以使用下列关键词:

*RESTART, READ, STEP=1, WRITE, FREQUENCY = 1

(3)提交重启动分析作业

在 ABAQUS Command 窗口下输入命令 abaqus job = job_name oldjob_name

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