ABAQUS非线性

ABAQUS的非线性模拟综述摘要：ABAQUS被广泛地认为是功能最强的非线性有限元软件，可以对复杂的结构力学系统进行分析，尤其在庞大复杂问题驾驭性较好以及对高度非线性问题的模拟方面有比较好的解决。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模块中定义和关键字定义。关键字：ABAQUS；几何非线性；材料非线性；边界非线性Abstract：ABAQUSiswidelyconsideredtobethemostpowerful-linearfiniteelementsoftware,whichcananalyzecomplexsystemofstructuralmechanics.Itcanespeciallymanageverybigandcomplexproblemsandsimulatehighlynonlinearproblem.Inthisparagraphthreetypesofnonlinearproblemarediscussedinmechanicssimulation.Theemphasisislaidonhowtodefinethesethreetypesofnon-linearproblemsinCAEmoduleofABAQUSandintermsofkeywords.1前言在结构力学模拟中有三种非线性来源：材料非线性（如金属的塑性、橡胶的超弹性等），几何非线性（如壳体结构的大变形翻转问题，结构的全过程分析等），边界非线性（如螺栓连接、过盈装配等）[1]。在ABAQUS分析中同样也包含这三种非线性问题，非线性模拟在ABAQUS软件中是最常见的，因为所有的物理结构均为非线性的，但线性分析只是对真实世界的一种近似，在一定范围内可以满足所需要的精度，例如，对冲压以及锻造等加工过程的模拟分析就是如此。本文主要是分析探讨ABAQUS中包含的非线性问题和如何定义的情况。2材料非线性2.1概述材料非线性为由于材料非线性的应力—应变关系而导致结构响应的非线性[1]。金属材料在小应变时材料性质基本为线弹性，即材料的弹性模量为常数，但在高应变和高应力的情况下，金属会发生屈服，往往表现出非线性的特性，通常我们称之为塑性[2]。为了准确地描述大变形过程中材料塑性变化，ABAQUS中必须使用真实应力和真实应变定义材料的塑性，ABAQUS需要这些值并对应地在输入文件中解释这些数据。然而大部分实验数据给出的是名义应力和名义应变。此时就需要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[3]如下：)1(nomnom（1）)1ln(nom（2）式中：——真实应力；——真实应变；nom——名义应力；nom——名义应变。2.2在ABAQUS中定义材料非线性ABAQUS中用*Plastic选项来定义金属的塑性，用连接给定数据点的一系列直线来逼近材料光滑的应力—应变曲线。可以用任意多的数据点来逼近实际的材料性质，所以有可能非常逼真地模拟材料的真实性质[1]。在*Plastic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义材料的初始屈服应力，因此塑性应变值应该为零（屈服点处的塑性应变为0）。在用来定义塑性性能的材料实验数据中，提供的应变不仅包括材料的塑性应变，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，就得到塑性应变，关系式[3]如下：Elellpl/（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，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）和式（2）将名义应力和名义应变转化为真实应力和应变。得到这些值以后由式（3）来确定塑性应变。表1中的后三列分别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*Plastic所需输入的数据。如表所示在小应变时，真实应变和名义应变间的差距很小，而在大应变时，二者会有明显的差别。表1实验数据转换为ABAQUS输入数据示例[1]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200e60.00095200.2e60.000950.0240e60.025246e60.02470.0235280e60.05294e60.04880.0474340e60.1374e60.09530.0935380e60.15437e60.13980.1377400e60.2480e60.18230.18在ABAQUS/CAE中输入这些数据描述材料非线性的方法如图1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1在ABAQUS中定义材料在ABAQUS中定义塑性材料的关键词为[2]：*Material,name=材料名称……*Plastic屈服点处的真实应力，0真实应力，塑性应变……本例中的数据在ABAQUS的INP文件中的表述如下：*Material,name=steel……*Plastic2.002e+08,0.02.46e+08,0.02352.94e+08,0.04743.74e+08,0.09354.37e+08,0.13774.8e+08,0.182几何非线性几何非线性发生在位移的大小而引起结构响应的非线性的情况。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[2]。在ABAQUS分析中，定义几何非线性问题比较简单，只需在*Step选项中加入NLGEOM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：*Step,NLGEOM,INC=25而在CAE中的定义方式也很简单，只需要在定义Step时，把NLGEOM参数设为ON即可，如图2所示。图2在ABAQUS中定义几何非线性3边界非线性3.1概述若边界条件随分析过程发生变化，就产生了边界非线性的问题。接触问题就是一种典型的边界条件非线性问题，其特点是：边界条件不是在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确定的，接触体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化，同时还可能需要考虑接触面间的摩擦行为和接触传热[2]。如图3所示的螺栓连接的两个零件会随施加的螺栓预紧力发生接触，也就是边界非线性问题。接触实际上是一系列特殊的不连续的约束，拧紧螺栓时，两零件的表面由分离到间隙为零，开始应用接触约束，当接触条件从“开”到“闭”时，接触压力发生剧烈变化，使接触模拟非常困难[3]。图3螺栓连接的接触3.2在ABAQUS中定义接触接触表面的相互作用包括两部分：垂直于接触面和沿接触面切向，接触模拟的目的是为了确定接触面积和接触压力。两个表面之间分开的距离称为“间隙”，当两个表面之间的间隙变为零时开始应用接触约束，而当接触压力变为零或负值时，两表面分开，约束移去，这种表面间的相互作用称为“硬”接触；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代价也小于有限滑移，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（滑动量的大小只是单元尺寸的一小部分），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[3]。在ABAQUS中定义两个结构间的接触问题，第一步是用*Surfacedefinition选项定义表面，接着用*Surfaceinteraction选项来定义表面间的相互作用，然后用*Contactpair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：1）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；2）在TOOL菜单下，定义Surface，分别定义名为surfofpart1和surfofpart2两个面，分别代表两个零件的接触面；3）最后在Interaction菜单下定义接触对（contactofbolt），主面和从面分别选择步骤2）中定义的两个表面，而接触属性选择步骤1）中定义的属性。定义完成后，在INP文件中表述下：S2,part1_S2of_Surfpart1ofSurfNameelement,typeSurface,*S2,part2_S2ofSurfpart2ofSurfNameelement,typeSurface,*接触面的定义HARDeoverclosur-pressure,separationnoBehavior,Surface*0.2,0.005toleranceslipFriction,*IntProp,namen,InteractioSurface*PROPERTIESON*INTERACTI*接触属性的定义part1ofSurf,part2ofSurfIntPropninteractioPair,Contact*boltofcontact:on*Interacti*ONS*INTERACTI*接触对的定义4小结对于以上3类非线性问题，在ABAQUS/CAE中建模时可以分别使用以下处理方法：1）几何非线性。在Step功能模块中打开几何非线性开关（Nlgeom设为ON）。2）边界条件非线性。对于接触问题，可以在Interaction功能模块中定义相关参数。3）材料非线性。在Property功能模块中设置非线性的材料属性。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，但实际工程中的分析大多都属于非线性分析，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。注意只有在分析几何非线性（大位移、大转动、初始应力、几何刚化或突然翻转等）时才需要将Nlgeom设为ON[4]。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）交叉出现的，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。