第一篇 模块介绍
第1章 初识ABAQUS
1.1 ABAQUS简介
ABAQUS软件是世界上知名的有限元分析软件，成立于1978年的美国罗德岛州博塔市的HKS公司（现为ABAQUS公司）是该软件的缔造者。ABAQUS软件的主要任务是进行非线性有限元模型的分析计算。近年来，我国的ABAQUS用户也在逐年增加，大大推动了ABAQUS软件的发展。
伴随着基础理论与计算机技术的不断进步，ABAQUS公司也在逐步解决软件中的各种技术难题、改进软件，如今已逐步趋于完善。作为工程软件之一，ABAQUS软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用于机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、生物医学、军用、民用等领域。在这些领域中，可有效地进行相应的静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、断裂分析、疲劳和耐久性分析等结构分析和热分析外，还能进行热固耦合分析、声场和声固耦合分析、压电和热电耦合分析、流固耦合分析、质量扩散分析等。
ABAQUS除了能有效地求解各种复杂的模型并能解决实际工程问题之外，在分析能力和可靠性方面也更胜一筹。
除此之外，ABAQUS具有丰富的单元库，可以模拟各种复杂的几何形状，并且具有丰富的材料模型库，如橡胶、金属、钢筋混凝土等，以供用户选择。
ABAQUS以其强大的功能和友好的人机交互界面，赢得了普遍赞誉。
1.2 ABAQUS的主要模块及功能
ABAQUS含有三个主求解器模块ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和ABAQUS/CFD及一个人机交互的前后处理模块ABAQUS/CAE。ABAQUS还提供了解决某些特殊问题的专用模块：ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design、ABAQUS/Foundation、ABAQUS/AMS, MOLDFLOW接口、MSC.ADAMS接口，以及ABAQUS/ATOM和Fe-safe。另外，还有ABAQUS for CATIA V5等产品。
1．ABAQUS/Standard
ABAQUS/Standard为隐式分析求解器，是进行各种工程模拟的有效工具，能精确可靠地求解简单的线弹性静力学分析乃至复杂的多步骤非线性动力学分析。ABAQUS/Standard拥有丰富的单元类型和材料模型，能非常方便地配合使用。ABAQUS/Standard提供一个动态载荷平衡的并行稀疏矩阵求解器、基于域分解的并行迭代求解器、并行的Lanczos特征值求解器，能进行一般过程分析和线性摄动过程分析。并行计算能大大减少分析时间，ABAQUS能够实现多个处理器的并行运算。ABAQUS拥有良好的可扩展性，可以通过用户子程序来加强处理问题的能力。本书将结合实例详细介绍ABAQUS/Standard的使用。
2．ABAQUS/Explicit
ABAQUS/Explicit为显式分析求解器，是进行瞬态动力学分析的有效工具，尤其适宜于求解冲击和其他高度不连续问题；其处理接触问题的能力也很显著，能够自动找出模型中各部件之间的接触对，高效地模拟它们之间复杂的接触，并能求解可磨损体之间的接触问题。
ABAQUS/Explicit也拥有广泛的单元类型和材料模型，但其单元库是ABAQUS/Standard的单元库的子集。ABAQUS/Explicit提供基于域分解的并行计算，仅能进行一般过程分析。本书将结合实例详细介绍ABAQUS/Explicit的使用。
ABAQUS/Explicit和ABAQUS/Standard有各自的特点和适用范围，它们的相互配合使ABAQUS的分析功能更加强大和灵活。一些工程问题需要两个求解器的配合使用，ABAQUS能够以一种求解器开始分析，结束后作为初始条件以另一种求解器继续进行分析。
3．ABAQUS/CFD
ABAQUS 6.10版本中加入了CFD模块，成为ABAQUS的第三个求解器，从而使得软件的求解功能大大增强，可以进行计算流体力学模型，如模拟层流，湍流等流体问题以及热传导、自然对流问题等流体的传热问题。同时，与ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的联合使用，使得ABAQUS软件在求解流固耦合问题等方面变得尤为强大。
4．ABAQUS/CAE
ABAQUS/CAE是一个进行前后处理和任务管理的人机交互环境，对ABAQUS求解器提供了全面的支持。ABAQUS/CAE将各种功能集成在各功能模块中，能够通过操作简便的界面进行建模、分析、任务管理和结果评价。ABAQUS/CAE是唯一采用基于特征的、参数化建模方法的有限元前处理程序，并能够导入和编辑在各种商业的CAD软件中建立的几何体，拥有强大的建模功能，能够有效地创建用户所需的模型。在ABAQUS/CAE中用户能够方便地根据分析目的设置与ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit对应的单元类型和材料模型，并进行网格划分。部件之间的接触、耦合、绑定等相互作用也能很方便的定义。待有限元模型建立、载荷和边界条件施加后，ABAQUS/CAE能够快速有效地创建、提交和监控分析作业。ABAQUS/Viewer是ABAQUS/CAE的可视化模块，模型的结果后处理都在该模块中进行。本书将结合模块介绍和实例详细展示ABAQUS/CAE的使用。
5．ABAQUS/Design
ABAQUS/Design是ABAQUS/Standard的附加模块，用于设计灵敏度分析（DSA）。设计灵敏度用于预测设计变化对结构响应的影响，可以用来进行优化设计。本书不介绍ABAQUS/Design的使用。
6．ABAQUS/Aqua
ABAQUS/Aqua是ABAQUS/Standard的附加模块，适用于海洋工程，包括海洋平台导管架和立管的分析、J管道受拉的模拟、基座弯曲的计算和漂浮结构的研究。ABAQUS/Aqua能够通过稳态水流和波浪效果的模拟对结构施加拉力、浮力和流体惯性力，对自由水面以上的部分还可以施加风载。本书不介绍ABAQUS/ Aqua的使用。
7．ABAQUS/AMS
ABAQUS/AMS是ABAQUS/Standard的新附加模块，伴随ABAQUS 6.6问世。ABAQUS/AMS采用一个高效的自动多层次子结构特征值求解器，能快速有效地进行大型结构的线性动力学分析。本书不介绍ABAQUS/ AMS的使用。
8．ABAQUS/Foundation
ABAQUS/Foundation是ABAQUS/Standard的一部分，提供ABAQUS/Standard中高效的线性静态分析和动态分析的功能。本书不介绍ABAQUS/ Foundation的使用。
9．MOLDFLOW接口
ABAQUS的MOLDFLOW接口是ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的交互产品，使用户能够将ABAQUS同注塑成型模拟分析软件MOLDFLOW一起配合使用，将MOLDFLOW中的有限元模型信息转换为ABAQUS输入文件的一部分。本书不介绍MOLDFLOW接口的使用。
10．MSC. ADAMS接口
ABAQUS的MSC. ADAMS接口是ABAQUS/Standard的交互产品，使用户能够将ABAQUS同机械系统动力学仿真软件MSC. ADAMS一起配合使用，将ABAQUS中的有限元模型作为柔性部件输入到MSC. ADAMS中。本书不介绍MSC. ADAMS接口的使用。
11．ABAQUS/ATOM
ABAQUS Topolopy Optimization Module简称ATOM，即为ABAQUS拓扑优化功能。在ABAQUS 6.11版本中引入该功能，它采用了专业拓扑优化软件TOSCA的核心技术，通过调用odb文件进行拓扑优化，与ABAQUS强大的非线性分析功能结合起来，将会取得很好地进展。
12．Fe-safe
Fe-safe模块的一系列功能可以附加在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit上应用。该模块可以通过疲劳分析，预测部件和系统寿命。
13．ABAQUS for CATIA V5
ABAQUS for CATIA V5完全集成在CATIA V5的使用环境中，在CATIA V5的操作界面中增加了ABAQUS的结构分析和热分析平台。用户在CATIA V5的操作界面下进行几何建模，该模型同时成为ABAQUS的模型，能够在不脱离CATIA的前提下进行高质量的线性和非线性有限元分析，计算结果也能在CATIA中查看和分析。最新的ABAQUS for CATIA V5为2.3版本，它采用ABAQUS 6.13和CATIA V5 R22的最新技术，包括接触模拟，为工业产品的研发提供了高效的分析工作流程和高级模拟技术。
1.3 ABAQUS 6.13的新功能
ABAQUS 6.13在CAE、Viewer、Standard、Explicit、CFD等方面都增加了很多新功能。
1.3.1 ABAQUS/CAE的新功能
1．实现了model的多次实例化
ABAQUS 6.12中的合作建模允许模型的导入，但不支持其他的ABAQUS数据库导入当前的分析中，为多个工程师同时建模提供了方便。ABAQUS 6.13可以将一个model进行实例化后添加到另一个装配体的model。被实例化的model可以包括很多非独立或独立的部件实体、几何网格或者孤立网格。同时在主装配中可以对此装配体的模型进行多次实例化，最后生成一个大的输入文件。
2．与CAD软件的实时交互
可与CATIA R22实现实时交互功能，CATIA V5 R22模型的参数修改能够通过ABAQUS/CAE实现，且模型可以在CAE中进行更新。ABAQUS 6.13也可与Pro/E进行实时交互。
3．Mesh模块的增强
ABAQUS 6.10实现了同时定义三相态的多个材料特性，可以划分动网格。ABAQUS 6.13在装配件层次上，不同的部件实例之间增加了将shell的网格从一个几何复制到另一个几何上的功能；可以立即查询与任何单元不相连的所有几何实体，并可进行手动连接。
4．建模方面的功能增强
可以将一个section指定给与几何相连的单元集合，可以显示材料的堆栈方向。
5．ABAQUS/CAE中支持AQUA的定义
6．实现VCCT的CAE界面定义
接触属性的断裂准则中增加了VCCT和Enhanced VCCT；在初始部分绑定两个面之间，使用Debond using VCCT激活裂纹演化能力。
1.3.2 ABAQUS/Viewer的新功能
1．被连接的不同视图窗口新增强的功能
在当前视图窗口中选取的旋转中心可用到所有被连接的视图窗口中，这样可以更好地实现同步。另外，在当前视图窗口中对视图动画属性选项所做的修改，将会应用到所有被连接的视图窗口中，以便减少重复的手动设置。在当前视图窗口中创建的视图切面将被复制到所有被连接的视图窗口中。
2．查看模型定义的边界条件
可以对复合材料的材料方向和单元方向进行可视化查看。
1.3.3 ABAQUS/Standard的新功能
为了解决beam的接触问题，ABAQUS/Standard在General contact中增加了beam-to-surface及beam-to-beam的模拟功能；自ABAQUS 6.9引入XFEM以来，6.13版本允许在XFEM的surface上定义分布压力载荷，可以自动生成内部裂纹面，目前仅与压力载荷一起工作；新增专门的电磁单元EMC3D6，同时，与结构场（EM-to-Structural co-simulation）和热场（EM-to-thermal cosimulation）分别进行实时耦合分析。
随着计算机技术的提高，ABAQUS/Standard中新增了前处理数据检查的性能。
1.3.4 ABAQUS/Explicit的新功能
（1）ABAQUS 6.11新建了SPH单元和相关联的接触计算，导致计算效率的降低，并且对模型尺寸都有一定的限制。ABAQUS 6.13版本增强了SPH并行功能，可以大大节省仿真分析的时间。
（2）使用离散元DEM方法解决不连续介质问题。当模型中包括大量不连续介质和变形体时，若想高效地模拟大量粒子与实体单元之间的相互作用，可以采用离散元DEM方法。
（3）CEL多级网格自动加密（M-AMR）。自ABAQUS 6.11引入CEL以来，使得ABAQUS/Explicit能够分析流体结构的交互作用。ABAQUS 6.13在CEL问题中，使用多级网格自动加密功能，可以更加明显地提高计算性能，改进解的稳健性和可靠性。
1.3.5 ABAQUS/CFD的新功能
自从ABAQUS 6.10版本引入CFD功能以来，极大地扩展了软件的应用领域。ABAQUS 6.13在原有瞬态求解器的基础上，CFD模块新增了稳态求解器，可以完成更多类型的流体分析。同时，新增了SST k-e湍流模型。并且新增了基于隐式static求解器的网格运动形式。
1.4 ABAQUS的文件系统
ABAQUS除了数据库文件外，还包括用于输入、输出的文本文件，日志文件，信息文件，状态文件，及用于重启和结果转换或的文件等；另外，有些文件是在运行时产生，运行后自动删除。具体介绍如下（其中model_database_name表示模型数据库名，job_name表示建立的工作名）：
（1）CAE文件（model_database_name.cae）：模型数据库文件，在ABAQUS/CAE中直接打开，包含模型的几何、网格、载荷等各种信息及分析任务等。
（2）ODB文件（job_name.odb）：输出数据库文件，即结果文件，可以在ABAQUS/CAE中直接打开，也可以输入到cae文件中作为Part（部件）或Model（模型），包含在Step功能模块中定义的场变量和历史变量输出结果，由Visualization功能模块打开。
（3）INP文件（job_name.inp）：输入文件，属于文本文件。INP文件可以在Job功能模块中提交任务时或单击Job Manager对话框中的【Write Input】在工作目录中生成，也可以通过其他有限元前处理软件生成，通过编辑INP文件可以实现一些ABAQUS/CAE所不支持的功能。INP文件可以输入到ABAQUS/CAE中作为Model（模型），也可以由ABAQUS Command直接运行。INP文件中只包含模型的节点、单元、集合、截面和材料属性、载荷和边界条件、分析步及输出设置等信息，没有模型的几何信息，故输入的模型也是有限元模型而无实体模型。本书第二部分会对每个实例的INP文件进行详细的说明。
（4）PES文件（job_name.pes）：参数更改后重写的INP文件。
（5）PAR文件（job_name.par）：参数更改后重写的以参数形式表示的INP文件。
（6）LOG文件（job_name.log）：日志文件，属于文本文件，包含运行ABAQUS的起止时间等信息。
（7）DAT文件（job_name.dat）：数据文件，属于文本文件，记录数据和参数检查、单元质量检查、内存和磁盘估计和分析时间等信息，预处理INP文件时产生的错误和警告信息也会写入dat文件。另外，dat文件中输出用户定义的ABAQUS/Standard的结果数据，ABAQUS/Explicit的结果数据不会写入该文件。
（8）MSG文件（job_name.msg）：信息文件，属于文本文件，详细记录计算过程中的平衡迭代次数、参数设置、计算时间及错误和警告信息等。
（9）IPM文件（job_name.ipm）：内部过程信息文件，启动ABAQUS/CAE分析时开始写入，记录了从ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit到ABAQUS/CAE的过程日志。
（10）JNL文件（model_database_name.jnl）：文本文件，包含用于复制已存储的模型数据库的ABAQUS/CAE命令。
（11）STA文件（job_name.sta）：状态文件，属于文本文件，包含分析过程信息。
（12）RPY文件（ABAQUS.rpy）：记录运行一次ABAQUS/CAE所运用的所有命令。
（13）REC文件（model_database_name.rec）：包含用于恢复内存中模型数据库的ABAQUS/CAE命令。
（14）PSR文件（job_name.psr）：文本文件，参数化分析要求的输出结果。
（15）FIL文件（job_name.fil）：结果文件，可被其他软件读入的结果数据格式。记录ABAQUS/Standard的分析结果，ABAQUS/Explicit的分析结果要写入fil文件中则需要转换。
（16）RES文件（job_name.res）：重启动文件，用STEP功能模块进行定义。
（17）MDL文件（job_name.mdl）：模型文件，在ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit中运行数据检查后产生的文件，重启动分析时需要该文件。
（18）PRT文件（job_name.prt）：部件信息文件，包含模型的部件与装配信息，重启动分析时需要该文件。
（19）STT文件（job_name.stt）：状态外文件，运行数据检查时产生的文件，重启动分析时需要该文件。
（20）ABQ文件（job_name.abq）：状态文件，仅用于ABAQUS/Explicit，记录分析、继续和恢复命令，重启动分析时需要该文件。
（21）SEL文件（job_name.sel）：结果选择文件，仅用于ABAQUS/Explicit，重启动分析时需要该文件。
（22）PAC文件（job_name.pac）：打包文件，包含模型信息，仅用于ABAQUS/Explicit，重启动分析时需要该文件。
（23）PSF（job_name.psf）：脚本文件，用户定义parametric study（参数研究）时需要创建的文件。
（24）ODS文件（job_name.ods）：记录场输出变量的临时运算结果，运行后自动删除。
（25）LCK文件（job_name.lck）：用于阻止并发写入输出数据库，关闭输出数据库则自动删除。
1.5 ABAQUS的基本操作
ABAQUS/CAE是有限元分析和用户之间的桥梁，它一方面全面支持ABAQUS的求解器，另一方面通过友好的界面方便用户进行模型的建立和参数的设置。本章从ABAQUS/CAE的启动谈起，逐步介绍ABAQUS/CAE的用户界面、鼠标的使用和一些相关约定，使用户对ABAQUS软件具有基本的认识。
1.5.1 ABAQUS/CAE的启动
在操作系统中，单击按钮[开始][程序] [ABAQUS 6.13-1] [ABAQUS/CAE]，即打开ABAQUS/CAE的启动界面，如图1-1所示。在启动界面上共有五个选项：
图1-1 ABAQUS/CAE的启动界面
● Create Model Database（创建模型数据库）：创建ABAQUS/CAE环境下的模型数据库，开始新的分析。创建模型数据库有三种类型：With Standard/Explicit Model数据类型用于建立隐式或显示求解问题；With CFD Model数据类型用于建立计算流体力学求解问题；With Electromagnetic Model数据类型用于建立电磁场求解问题。
● Open Database（打开数据库）：打开已经存在的模型数据库文件（*.cae）或输出数据库文件（*.odb）。
● Run Script（打开手稿）：运行用Python脚本语言编写的包含ABAQUS/CAE命令的文件（*.py或*.pyc）。
● Start Tutorial（开始指南）：启动在线帮助指南。
● Recent files（最近文件）：直接进入最近使用过的．cae文件。
1.5.2 ABAQUS/CAE的用户界面
启动ABAQUS/CAE后，即进入ABAQUS/CAE的用户界面（见图1-2），该界面包括10个部分，分别介绍如下：
图1-2 ABAQUS/CAE的用户界面
1．标题栏
标题栏显示当前的ABAQUS/CAE版本及模型数据库的路径和名称。
2．菜单栏
菜单栏与当前的功能模块相对应，包含该功能模块中所有可用的功能。
3．环境栏
环境栏中包含1～3个列表，Module（模块）列表用于切换各功能模块；其他的列表则与当前的功能模块相对应，分别用于切换Model（模型）、Part（部件）、Step（分析步）、ODB（结果文件）和Sketch（草图）。
4．工具栏
工具栏列出了菜单栏内的一些常用的工具，方便用户调用，在各功能模块的切换过程中变化不大。
5．模型树/结果树
ABAQUS 6.13．的左侧区包括模型树和结果树，通过其上部的【Model】和【Results】进行切换，模型树为默认设置。模型树中包含了该数据库的所有模型和分析任务，分类列出了所有功能模块（Visualization模块除外）及包含在其中的重要工具，可以实现菜单栏中的大多数功能。结果树中列出了已调用的所有结果文件及Visualization（可视化）模块中的许多工具，可以实现结果显示的大多数功能。
6．画布
画布用于摆放视图。
7．工具区
工具区列出与各功能模块相对应的工具，包含了大多数菜单栏中的功能，方便用户选择使用。
8．视图区
视图区用于模型和结果的显示。
9．提示区
当选择工具对模型进行操作时，提示区会显示出相应的提示，用户可以根据提示在视图区进行操作或在提示区中输入数据。
10．信息区/命令行接口
信息区和命令行接口显示在用户界面的下部区域，通过其左侧的Message Area（信息区）和Command Line Interface（命令行接口）进行切换。信息区为默认设置，显示状态信息和警告。用户可以使用ABAQUS/CAE内置的Python编译器在命令行接口中输入Python命令和计算表达式。
1.5.3 ABAQUS中鼠标的使用
ABAQUS/CAE默认使用三键鼠标，分为右手习惯和左手习惯两种使用方式。当按右手习惯设置鼠标时，左键为①键，中键为②键，右键为③键；当按左手习惯设置鼠标时，右键为①键，中键为②键，左键为③键。如用户使用二键鼠标，则二键分别代表①键和③键，同时按下二键相对于三键鼠标中的②键。本书中所使用的鼠标都是三键鼠标。三键的功能介绍如下：
①键为选择/拖曳键：在菜单栏、工具栏、环境栏、工具区、提示区、信息区/命令行接口中，单击①键用于选择工具和切换界面；在模型树/结果树中双击①键用于切换功能模块并弹出相应的创建或编辑对话框；在工具区中，将鼠标指向右下带小三角形的工具，按住①键用于打开展开工具条；当选择Pan View（平移）、Rotate View（旋转）、Magnify View（缩放）等工具时，在视图区中，拖曳①键用于平移、旋转、缩放模型；当选择其他工具时，在视图区中，单击①键用于选择模型或模型的一部分，按住键盘上的【Shift】键再单击①键用于选择模型的几个部分，按住键盘上的【Ctrl】键再单击①键用于取消已选择的模型区域。
②键为确定键：当使用工具对模型进行操作时，在视图区单击②键用于确定完成该操作；在视图区滚动滚轮可以起到缩放模型的作用，向上滚动滚轮缩小模型，向下滚动滚轮放大模型。
③键为弹出命令菜单键：在模型树/结果树和视图区中，单击③键用于弹出命令菜单。
移动鼠标使光标指向工具栏、模型树/结果树、工具区、提示区、信息区/命令行接口中的工具时，在其下部显示出该工具的名称。
1.5.4 ABAQUS的坐标系
ABAQUS的整体坐标系是直角笛卡尔坐标系，方向遵循右手法则。为便于各种分析，用户可以自行定义局部坐标系进行节点、载荷、边界条件、线性约束方程、材料属性、耦合约束、连接器单元、ABAQUS/Standard中接触分析的滑动方向的定义和变量输出等，局部坐标系可以是直角笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系，都遵循右手法则。
1.5.5 ABAQUS对自由度的约定
ABAQUS对轴对称单元的位移和旋转自由度的规定如下：R方向（径向）位移、Z方向（轴向）位移、绕Z轴旋转（用于带扭曲的轴对称单元）、绕R-Z平面的旋转（用于轴对称壳），旋转自由度的单位都是弧度。其中R和Z方向分别与整体坐标系的X和Y轴的方向一致；但如果通过节点转化定义了局部坐标系，它们将与局部坐标系中的相关坐标轴的方向一致。
除了轴对称单元的自由度的约定包括：X方向位移、Y方向位移、Z方向位移、绕X轴旋转（以弧度表示）、绕Y轴旋转（以弧度表示）、绕Z轴旋转（以弧度表示）、孔隙压力（或静水压）、电势、温度、第二温度（对于壳或梁）、第三温度（对于壳或梁）等。其中X、Y、Z的方向分别与整体坐标系的X、Y、Z轴的方向一致；但如果通过节点转化定义了局部坐标系，它们将与局部坐标系中相关坐标轴的方向一致。