一文了解ABAQUS有限元软件（上篇）

ABAQUS 是一款专用于有限元分析的CAE软件。ABAQUS 公司于1978 年在美国成立，原名Hibbitt，Karlsson ＆ Sorensen 公司 ( HKS ) ， 后更名为 ABAQUS 公司，2005 年被达索系统 ( Das-sault Systemes) 收购。

ABAQUS 最初于 1978 年发布，目前最新的版本为 ABAQUS 2018，更新的内容包括: 新增了材料和单元类型，增强了接触属性功能，增强了线性动力学的功能，增强了建模和可视化功能等。ABAQUS 大量应用于机械、土木、电子、航空航天等行业。该软件最初就是为解决非线性物理问题而设计的，该软件具有丰富的材料库，可以模拟的材料包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料等; 除常规的结构应力/应变问题外，还能模拟热传导、质量扩散等问题，同时提供多物理场耦合分析能力，如流—固耦合、声—固耦合、压—电耦合、热—固耦合、热—电耦合等。在复合材料分析方面，ABAQUS 可以采用多种单元类型，可以进行宏观和微观模拟，可以对纤维和基体的材料及接触界面进行渐进损伤和失效分析。同时，ABAQUS 支持通过Fortran等进行二次开发。

ABAQUS 在国外的客户有空客、波音的商用飞机和卫星系统等部门、洛克希德·马丁、NASA的Lewis研究中心、Goddard 太空飞行中心以及美国海军和 Amold 空军基地等。ABAQUS 于 2002 年进入中国，并呈现出赶超 ANSYS 在国内地位的趋势，目 前 在 中 国 的 用 户 有 航 空 工 业 301、601、602、603、611、625，航空工业成飞，中国航发621 所，航天一院一部、一院信息中心、14 所、702所、二院二部、三院三部、四院41所、六院11所等。

ABAQUS具备强大的建模、分析和数据管理能力，可进行完整的产品设计、制造和维护的全过程仿真。其非线性分析功能非常突出，能模拟各种复杂的物理现象，如材料变形、破坏、热传导和流体流动等。此外，ABAQUS还提供了丰富的数据可视化工具，用于直观展示仿真结果，帮助用户更好地理解仿真过程和结果。

除了基础版的ABAQUS，达索还提供了多个附加模块，如ABAQUS / CAE、ABAQUS / FEA、ABAQUS / CFD等，分别用于有限元分析、流体动力学分析和热分析等。这些模块进一步增强了ABAQUS的功能，使得用户可以根据需要选择不同的模块进行仿真。

ABAQUS广泛应用于汽车、能源、电子、建筑等多个领域。比如，在汽车工业中，ABAQUS可用于汽车碰撞仿真、结构优化和耐久性分析；在航空航天领域，ABAQUS可用于飞机结构分析和飞行动力学仿真；在能源领域，ABAQUS可用于风力发电机组和太阳能电池板的性能分析和优化。

2 ABAQUS 分析步骤

前处理、分析计算和后处理是有限元分析的 3 个步骤。这 3 个步骤在 ABAQUS 中的实现方法介绍如下。

前处理阶段的中心任务是定义物理问题的模型，并生成相应的 ABAQUS 输入文件。ABAQUS/CAE 是完整的 ABAQUS 运行环境，可以生成 ABAQUS 的模型，使用交互式的界面提交和监控分析作业， 最后显示分析结果。ABAQUS/CAE 分为若干个模块，每个模块都用于完成模拟过程中的一个方面的 工作，例如定义几何形状、材料性质、载荷和边界条件等。建模完成之后，ABAQUS/CAE 可以生成 ABAQUS 输入文件，提交给 ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit。读者也可以使用其他的前处理器，如 MSC.PATRAN、Hypermesh 等来创建模型，但是 ABAQUS 的很多功能（如定义面、接触对、连接器等）只有 ABAQUS/CAE 才支持。因而建议读者使用 ABAQUS/CAE 作为前处理器。

在这个阶段中，使用 ABAQUS/Standard 或者 ABAQUS/Explicit 求解输入文件中所定义的数值模型，计算过程通常在后台运行，分析结果以二进制的形式保存起来，以用于后处理过程。完成一个求 解过程所花费的时间由问题的复杂程度和计算机的计算能力等因素决定。

ABAQUS/CAE 的后处理部分又叫作 ABAQUS/Viewer，可以用来读入分析结果数据，以多种方 法显示分析结果，包括动画、彩色云纹图、变形图和 XY 曲线图等。

一般来说，首先在 Part 模块中创建部件（有时需要与 Assembly 模块配合使用），之后在 Assembly 模块中进行部件的装配。ABAQUS 可以在装配件和分析步的基础上，在Interaction（相互作用）模块中定义相互作用、约束或连接器以及在 Load（载荷）模块中定义载荷、边界条件、预定义场等，这两个模块通常没有先 后顺序的要求。在进入Interaction模块和 Load 模块之前的任何时候，都可以在分析步模块中定义分析步和变量 输出要求；在创建 Part 模块后，创建 Job（作业）模块之前的任何时候，都可以进入 Property（属性） 模块进行材料和截面属性的设置。如果在 Assembly 模块中创建的是非独立实体，则用户可以在创建 Part 模块后，创建 Job 模块之 前的任何时候，在Mesh模块中对部件进行网格划分；如果在Assembly模块中创建的是独立实体，则用户可以在创建 Assembly 模块后，创建 Job 模块之前的任何时候，在 Mesh 模块中对装配件进行网格划分。

ABAQUS的模块自动可以选择是一个非常简单的操作，它能从几何学数学模型中自动选取所需要的模块。该机能使使用者能更容易地定义和建立几何学数学模型，并用来分析各种繁杂结构。

ABAQUS模块自动可以选择机能与其他最优化应用软件相同，只是它对所可以选择的模块类别展开了区分。它能自动识别出相同类别的模块，如刚体、虚拟、纤维和点等。该机能大大简化了使用者在建立几何学数学模型时所面临的排序难题，并为使用者提供更多了一个良好的分析环境。

ABAQUS中结点的自动可以选择是通过四种类别的结点来同时实现的，这四种类别分别是结点类别、结点变量和结点灵活性。其中，结点类别包括线模块、壳模块和虚拟模块；结点变量包括结点的灵活性、耐用性行列式、坐标行列式和坐标轴，此外它也是我们分析进程中经常用到的变量；结点灵活性指的是分析数学模型中有几个灵活性，而在 ABAQUS中，这几个灵活性被统一在一个坐标系中。

在 ABAQUS中，使用者能对结点类别展开可以选择，也能对结点变量展开可以选择，此外还能根据分析进程的需要而自动地可以选择结点的灵活性和耐用性行列式。另外，使用者还能可以选择将指定的模块类别与相同类别的结点联合起来建立更繁杂的模块。

在接触流体力学分析中， ABAQUS提供更多了接触力的排序，这是其他最优化应用软件所不具备的。

分层分割是最优化分析中最为关键的一环，它直接影响到分析的排序精度。ABAQUS提供更多了多种分层分割方法，如虚拟模块、正方形模块、四面体模块等。

其中，正方形模块与正方形模块是最为常用的分层分割方法。由于几何学花纹不规则，能将分层分割成等间距的正方形、正方形、五边形、六边形等。在三维实体模型中，采用五面体分层分割形式能将繁杂的三维实体模型分割成相同大小和花纹的最优化模块，并利用其展开最优化分析。

利用这种分层分割形式能将繁杂的三维实体模型分割成若干个正方形或正方形等五面体分层。在分析进程中，还能对分层展开自动优化。

ABAQUS的多物理学场耦合模块能对材料的流体力学性质（弹性、塑性、断裂等）、热学性质（传热、相变、过热等）展开演示。

如果对难题解采用次序耦合形式， ABAQUS也能同时实现对难题的次序解，这使得对于多物理学场耦合难题的解具有极大的灵活性。此外， ABAQUS也能同时实现多物理学场的此外解。

这样对于繁杂工程难题， ABAQUS就能展开多物理学场联合解，从而获得更为精确的结果。