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1、ABAQUS中的非线性模拟 王慎平,刘北英 (北京科技大学 机械工程学院,北京100083) 摘 要:ABAQUS在处理非线性模拟方面功能强大,本文主要针对力学模拟中的几何、 材料、 边界三种非线性问题进行讨论,重点是如何在ABAQUS中定义这三种非线性问题,包括在 CAE模块中定义和在关键字中定义。 关键词:ABAQUS;几何非线性;材料非线性;边界非线性 中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:167125276(2006)0220020203 The Nonlinear Analysis in ABAQUS WANG Shen2ping , LIU Bei2ying (Univ
2、ersity of Science geometry nonlinear ;material nonlinear ;boundary nonlinear 0 前言 在结构力学模拟中有三种非线性来源:材料非 线性,边界非线性,几何非线性。 同样ABAQUS分析中也包含这三种非线性, 在ABAQUS软件中,非线性模拟是最常见的,因 为所有的物理结构均为非线性的,而线性分析只是 一种方便的近似,在一定的范围内,对设计来说一 般可以达到所需精度,但对很多实际结构的模拟而 言却不能满足要求,例如,对锻造、 冲压等加工过程 的模拟分析就是如此。本文介绍了对ABAQUS 中包含的非线性问题以及如何定义进行分
3、析探讨 的情况。 1几何非线性 几何非线性发生在位移的大小影响到结构响 应的情况。一般是由以下三种情况造成的:大挠度 或大转动;突然翻转;初应力或载荷刚性化。 在ABAQUS分析中,定义几何非线性问题比 较简单,只需要在 3STEP选项中加入NL GEOM 参数即可,并去掉PERTURBATION参数。还可 以加入INC参数来指定分析中允许的最大增量步 的数目。INC参数指定了ABAQUS可以采用的 增量步的上限,而不是它所必须使用的增量步数。 例如:一包含几何非线性的分析步,最多允许25个 增量步,应按如下方式指定: 3STEP ,NL GEOM ,INC = 25 而在CAE中的定义方式也
4、很简单,只需要在 定义STEP时,把NL GEOM参数设为ON即可, 如图1所示。 图1 在ABAQUS中定义几何非线性 2 材料非线性 211 概述 许多金属在小应变时表现出近似线弹性的特 性。此时材料的弹性模量为常数,而在高应力或应 变情况下,金属开始表现出非线性特性,我们通常 机械制造与研究 王慎平,等ABAQUS中的非线性模拟 20 http :/ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail :ZZHD chinajournal. net. cn 机械制造与自动化 称之为塑性。 在ABAQUS中必须用真实应力和真实应变 定义塑性。ABAQUS在需要输入文件中输入
5、这些 值。然而大多数实验数据常常是用名义应力和名 义应变给出的。这时应该利用公式把塑性材料的 数据从名义应力/应变转换为真实应力/应变。转 换公式如下: =nom(1+nom)(1) =ln(1+nom)(2) 式中: 真实应力; 真实应变; nom 名义应力; nom 名义应变。 212 在ABAQUS中定义材料非线性 ABAQUS中用 3PLASTIC选项来定义了金 属材料的塑性,用连接给定数据点的一系列直线来 逼近材料光滑的应力2应变曲线。因此选择的数据 点越多,模拟材料的性质就越真实。在 3PLAS2 TIC选项中的数据将材料的真实屈服应力定义为 真实塑性应变的函数。选项的第一个数据定
6、义材 料的初始屈服应力,因此塑性应变值应该为零。 在用来定义塑性性能的材料实验数据中,提供 的应变不仅包含材料的塑性应变,而是包括材料的 总体应变,所以必须将总体应变分解为弹性和塑性 应变分量。弹性应变等于真实应力与杨氏模量的 比值,从总体应变中减去弹性应变,就得到了塑性 应变,其关系式为: pl=l- el=l-/ E (3) 式中:pl 真实塑性应变; l 总体真实应变; el 真实弹性应变; 真实应力; E 杨氏模量。 下面举例说明如何将反映材料塑性的实验数 据转换为ABAQUS适用的输入格式,数据的转换 示例如表1所示,其前两列分别是实验数据中的名 义应力和名义应变。 第一步是用式(1
7、)和式(2)将名义应力和名义 应变转化为真实应力和应变。一旦得到这些值,就 可以用式(3)来确定塑性应变。表1的后三列分别 表1 实验数据转化为ABAQUS输入数据示例 实验数据转换后数据 名义应力名义应变真实应力 真实应变塑性应变 200E60. 000 95200. 2E60. 000 950. 0 240E60. 025246E60. 024 70. 023 5 280E60. 05294E60. 048 80. 047 4 340E60. 1374E60. 095 30. 093 5 380E60. 15437E60. 139 80. 137 7 400E60. 2480E60. 18
8、2 30. 18 给出了转换后的数据。其中第三列中的真实应力 和第五列的塑性应变是ABAQUS中 3PLASTIC 所需要输入的数据。 在ABAQUS/ CAE中输入这些数据描述材料 非线性的方法如图2所示。在定义材料属性时,需 要在PLASTIC选项中输入表1中的真实应力和 塑性应变数据。 图2 在ABAQUS中定义材料 而在INP文件中的表述如下: 3Material , name = steel 3Plastic 2. 002e + 08 , 0. 2. 46e + 08 , 0. 0235 2. 94e + 08 , 0. 0474 机械制造与研究 王慎平,等ABAQUS中的非线性模拟
9、 Machine Building 此外,在 ABAQUS分析中还要计算两个表面间的相互滑动, 这是一个非常复杂的计算,ABAQUS需要区分哪个 部分滑动量小,哪个部位滑动量是有限的,对于滑动 量小的模型计算量也小,但 “小滑移” 很难定义,一般 认为滑动量不超过一个典型单元尺寸,就可以近似 应用 “小滑移”;如果两个表面之间是粗糙的,还要考 虑摩擦力,而摩擦正是限制相互滑动的,在模型中包 括了摩擦,也就是在待求解的系统方程中增加了不 对称项,使得求解费用大大增加,因此,在ABAQUS 中定义接触是非常复杂的,定义参数的正确性将直 接影响计算结果的准确性和计算速度。 在ABAQUS中定义两个结
10、构间的接触问题, 第一步是用 3SURFACE DEFINITION选项定义 表面,接着用 3SURFACE INTERACTION选项 来定义表面间的相互作用,然后用 3CONTACT PAIR选项定义可能接触的表面对。 下面举例说明如何在ABAQUS中定义接触, 现以图3中的螺栓连接为例: a) 首先在ABAQUS/ CAE的Interaction模块 下,在Interaction菜单下创建一个新的接触属性 (property) ,选择接触类型:CONTACT ,在弹出的 对话框中定义接触的机械参数和热参数; b) 在TOOL菜单下,定义SURFACE ,分别定 义名为surf of pa
11、rt 1和surf of part 2两个面,分别 代表两个零件的接触面; c) 最后在Interaction菜单下定义接触对 (con 2 tact of bolt) ,主面和从面分别选择步骤 b) 中定义 的两个表面,而接触属性选择步骤 a) 中定义的属 性。 定义完成后,在INP文件中表述如下: 3Surface , type = ELEMENT , name =Surf of part2 Surf of part2S2, S2 3Surface , type = ELEMENT , name =Surf of part1 Surf of part1S2, S2 接触 面的 定义 3 3
12、INTERACTION PROPERTIES 3Surface Interaction , name = IntProp , 3Friction , slip tolerance = 0. 005 0. 2 , 3Surface Behavior , no separation , pressure - overclosure = HARD 接触 属性 定义 3 3INTERACTIONS 3 3Interaction:contact of bolt 3Contact Pair ,interaction = IntProp Surf of part2,Surf of part1 接触 对的 定
13、义 4 小 结 上述内容主要介绍了在ABAQUS中定义非 线性模拟的方法,非线性的定义本身并不复杂,但 实际应用时非线性的类型很多,需要针对不同的非 线性问题进行定义,尤其是选择参数时,要保证选 择的参数和数值合适,这样才能保证计算结果的准 确性。另外非线性问题在一般情况下并不是单独 出现的,而是与其它类型的问题(如热传导、 质量扩 散等)交叉出现,这就要求我们对实际问题进行认 真分析,选择合适的方法进行处理。 参考文献 1 ABAQUS DocumentationZ. 2庄 茁 译 1ABAQUS/ Standard有限元入门指南 M1 北京: 清华大学出版社,19981 收稿日期:2005211208 机械制造与研究 王慎平,等ABAQUS中的非线性模拟 22 http :/ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail :ZZHD chinajournal. net. cn 机械制造与自动化