3.4 分析步模块

任何几何模型都可在前面介绍的这4个功能模块中创建。Part模块和Sketch模块用于创建部件，Assembly模块用于组装模型的各部件。

有时，需要将Part模块和Assembly模块配合起来使用，如通过Assembly模块中的合并（Merge）和切割（Cut）功能创建出新的部件，再进行装配。对装配件中所包含的部件的所有操作都完成后，就可以进入Step（分析步）模块，进行分析步和输出的定义。

Step（分析步）模块主要用于分析步的输出请求设置，也可以进行求解控制与自适应网格划分。这些功能包含在菜单栏中的“分析步”“输出”及“其他”菜单中。在定义相互作用、载荷及边界条件之间，需要创建分析步；选择在初始步还是在分析步中设置接触或边界条件，载荷则只能在分析步中设置。

3.4.1 设置分析步

进入Step（分析步）功能模块后，主菜单中的Step菜单及工具区中的Create Step（创建分析步）工具和Step Manager（步骤管理器）工具用于分析步的创建和管理。

创建一个模型数据库后，ABAQUS/CAE默认创建初始步（Initial），位于所有分析步之前。用户可以在初始步中设置边界条件和相互作用，使之在整个分析中起作用，但不能编辑、替换、重命名和删除初始步。

ABAQUS可以在初始步后创建一个或多个分析步，在菜单栏中执行Step（分析步）→Create （创建）命令，或单击左侧工具区中的Create Step（创建分析步）工具，弹出Create Step（创建分析步）对话框，如图3-35所示。该对话框包括如下3部分：

（1）在Name（名称）栏内输入分析步的名称，默认为Step-n（n表示第n个创建的分析步）。

（2）Insert new step after（在选定项目后插入新的分析步）栏用于设置创建的分析步的位置，每个新建立的分析步都可以设置在Initial（初始步）后的任何位置。

（3）Procedure type（程序类型）栏用于选择分析步的类型。用户需要首先选择General（通用分析步）或Linear perturbation（线性摄动分析步），这两个选项下所包含的分析步类型各有不同。

① General（通用分析步）：用于设置一个通用分析步，可用于线性分析和非线性分析。该分析步定义了一个连续的事件，即前一个通用分析步的结束是后一个通用分析步的开始。ABAQUS包括14个小类。

Coupled temp-displacement（温度-位移耦合）：用于热-力耦合分析，当应力分布和温度分布互相影响时（如金属加工问题），需要采用该类分析步，适用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit所选用的单元应该同时具有温度和位移自由度。

Coupled thermal-electrical（热-电耦合）：用于线性或非线性的热-电耦合分析，仅适用于ABAQUS/Standard。

Coupled thermal-electrical-structural（热-电-结构耦合）：用于热-电-结构耦合分析。

Direct cyclic（直接循环）：用于循环加载的分析。

Dynamic, Implicit（隐式动力）：用于线性或非线性的隐式动力学分析，非线性动态响应只能采用该类分析步，仅适用于ABAQUS/Standard。

Dynamic, Explicit（显示动力）：用于显式动力学分析，对于大模型的瞬时动力学分析和高度不连续事件的分析特别有效，仅适用于ABAQUS/Explicit。

Dynamic Temp-disp, Explicit（显示动态，温度-位移）：用于显式动态温度-位移耦合分析，类似于热-力耦合分析，仅适用于ABAQUS/Explicit，且包含惯性效应和瞬时热响应。

Geostatic（地应力）：用于线性或非线性的地压应力场分析，仅适用于ABAQUS/ Standard，其后往往跟随多孔流体扩散-应力耦合分析或静力学分析。

Heat transfer（热传递）：用于传热分析，不考虑热-力耦合与热-电耦合，仅适用于ABAQUS/Standard。

Mass diffusion（质量扩散）：用于质量扩散分析（瞬态或稳态），仅适用于ABAQUS/ Standard。

Soils（土）：用于土壤力学分析，仅适用于ABAQUS/Standard。

Static, General（通用静力）：用于线性或非线性静力学分析，不考虑惯性及与时间相关的材料属性，仅适用于ABAQUS/Standard。

Static, Riks（静态，Riks）：通常用于处理不稳定的几何非线性问题（采用Riks方法），仅适用于ABAQUS/Standard。

Visco（黏性）：用于与时间相关材料（如黏弹性、黏塑性、蠕变）的线性或非线性响应分析，属于准静态分析，惯性效应被忽略，仅适用于ABAQUS/Standard。

② Linear perturbation（线性摄动分析步）：用于设置一个线性摄动分析步，仅适用于ABAQUS/Standard中的线性分析。ABAQUS包括以下5种线性摄动分析步。

Buckle（屈曲）：该选项用于线性特征值屈曲分析。

Frequency（频率）：通过特征值的提取计算固有频率和相应的振型，用户可以选用Lanczos特征值求解器、AMS特征值求解器和子空间迭代特征值求解器。创建了Frequency（频率）分析步后，会出现Complex Frequency（综合特征值提取）；Modal Dynamic（瞬时模态动力学分析）；Random response（随机响应分析）；Response spectrum（响应谱分析）；Steady-state dynamic, Modal（基于模态的稳态动力学分析）；Steady-state dynamic, Subspace（基于子空间的稳态动力学分析）6种分析步。

Static, Linear perturbation（静力，线性摄动）：用于线性静力学应力/位移分析。

Steady-state dynamic, Direct（稳态动力学，直接）：用于稳态谐波响应分析，直接求解模型在谐波激励下的稳态动力学线性响应。

Substructure generation（子结构生成）：基于AMS新一代子结构。

选择分析类型后，单击Continue…按钮，弹出Edit Step（编辑分析步）对话框。对于不同类型的分析步，该对话框的选项有所差异，下面就几种常用的分析步进行介绍。

1．通用静力学分析步

Static, General（通用静力）分析步，用于分析线性或非线性静力学问题，其Edit Step（编辑分析步）对话框包括Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3个选项卡页面。

（1）Basic（基本信息）选项卡：主要用于设置分析步的时间和几何非线性等，如图3-36所示。

① Description（描述）：用于输入对该分析步的简单描述，该描述保存在结果数据库中，进入Visualization（可视化）模块后显示在状态区。该栏非必选项，用户也可以不对分析步进行描述。

② Time period（时间）：用于输入该分析步的时间，系统默认值为1。对于一般的静力学问题，可以采用默认值。

③ Nlgeom（几何非线性）：用于选择该分析步是否考虑几何非线性，对于ABAQUS/Standard该选项默认为Off（关闭）。

④ Use stabilization with（自动稳定）：该选项用于局部不稳定的问题（如表面褶皱、局部屈曲），ABAQUS/Standard会施加阻尼来使该问题变得稳定。

⑤ Include adiabatic heating effects（包括绝热效应）：用于绝热的应力分析，如高速加工过程。

（2）Incrementation（增量）选项卡如图3-37所示。

① Type（类型）：该选项用于选择时间增量的控制方法，包括两种方式：Automatic（自动）和Fixed（固定），Automatic（自动）为默认选项，ABAQUS/Standard根据计算效率来选择时间增量。Fixed（固定）选项，ABAQUS/Standard采用设置的固定时间增量进行运算。在确保所设的时间增量能够收敛的情况下，可以选择该选项。

② Maximum number of increments（增量步的最大数目）：该栏用于设置该分析步的增量步数目的上限，默认值为100。即使没有完成分析，当增量步的数目达到该值时，分析停止。

③ Increment size（时间增量大小）：该栏用于设置时间增量的大小。当选择Automatic时，用户可以设置Initial（初始）、Minimum（最小）和Maximum（最大），默认值分别为1、1E-005和1。当选择Fixed时，只能设置时间增量的大小。

（3）Other（其他）选项卡页面，如图3-38所示。

① Equation Solver（方程求解器）：用于选择求解器和矩阵存储方式。

a. Method（方法）

Direct（直接）：用于选择直接稀疏矩阵求解器，此为默认选项，适用于大多数分析。

Iterative（迭代）：用于选择域分解的线性迭代求解器，对于大规模的模型，分析速度快于直接求解器。

b. Matrix Storage（矩阵储存）

Use solver default（使用求解器的默认设置）：此为默认选项，ABAQUS/Standard用于选择对称的或不对称的刚度矩阵存储方式和解答方案。仅适用于直接稀疏矩阵求解器，建议读者采用此选项。

Unsymmetric（非对称）：选择不对称的刚度矩阵存储方式和解答方案，仅适用于直接稀疏矩阵求解器。

Symmetric（对称）：选择对称的刚度矩阵存储方式和解答方案，适用于直接稀疏矩阵求解器和迭代求解器。

② Solution Technique（求解技术）：用于选择非线性平衡方程组的求解技巧。

Full Newton（完全牛顿）：此为默认选项，采用牛顿方法求解非线性平衡方程组，适用于大多数情况。

Quasi-Newton（准牛顿）：采用准牛顿方法求解非线性平衡方程组。当方程组的雅可比矩阵是对称的且在迭代过程中变化不大时，采用该方法能够加快收敛，特别是大规模的模型。如果选择该方法，用户就要设置Number of iterations allowed before the kernel matrix is reformed（迭代次数），默认为8，最大可以设置为25。

③ Convert severe discontinuity iterations（转换严重不连续迭代）：用于选择非线性分析中高度不连续迭代处理方法。

Propagate from previous step（继承自前一步分析）：此为默认选项，若出现高度不连续迭代，采用前一个通用分析步的值。

Off（关）：若出现高度小连续迭代，开始一个新的迭代。

On（开）：若出现高度小连续迭代，程序估计与高度不连续相关的残余载荷并检查平衡容差，判断是否开始另一个迭代或减小时间增加。

④ Default load variation with time（默认的载荷随时间的变化方式）：用于选择载荷随时间的改变方式。

Instantaneous（瞬态）：在该分析步开始时载荷被瞬间增加，在整个分析步中保持不变。

Ramp linearly over step（整个分析步内采用线性斜坡）：此为默认选项，在整个分析步中载荷线性增加。

⑤ Extrapolation of previous state at start of each increment（每一增量步开始时外推前一状态）：用于选择每个增量步开始时的外推方法，ABAQUS/Standard采用外推法加速非线性分析的收敛。

None（无）：不使用外推法。

Lineal（线性）：此为默认选项，在开始一个增量步前外推前一个增量步的解答，第一个增量步不外推。

Paraholic（抛物线）：二次的。在开始一个增量步前外推前两个增量步的解答，第一个增量步不外推，第二个增量步采用线性外推法。

⑥ Stop when region is fully plastic（当区域全部进入塑性时停止）：若指定区域内所有计算点的解答是完全塑性的，该分析步结束。

⑦ Obtain long-term solution with time-domain material properties（获取含时域材料属性的长期解）：适用于热弹性或黏塑性材料。

⑧ Accept solution after reaching maximum number of iterations（接受达到最大迭代数时的解）：当在Incrementation（增量）选项卡页面中选择Fixed（固定）时间增量时，该选项可以被选择。若选择该选项，当增量步达到设置的上限数目时，ABAQUS/Standard接受此时的解答。

2．通用隐式动力学分析步

Dynamic, Implicit（隐式动力）分析步，用于分析线性或非线性隐式动力学分析问题，其Edit Step（编辑分析步）对话框也包括Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3个选项卡，其中很多选项与静力学分析相同，此处仅介绍不同的选项。

在Incrementation（增量）选项卡中，当选择自动时间增量（Automatic）时，可以设置Maximum increment size（最大增量步长）和Half-increment residual tolerance（增量步中的平衡残余误差的容差）；当选择固定时间增量（Fixed）时，可以选择Suppress half-step residual calculation来加快收敛。

Other（其他）选项卡（见图3-39）的参数说明如下：

（1）Extrapolation of previous state at start of each increment（每一增量步开始时外推前一状态）的选项中，除了None（无）、Lineal（线性）、Parabolic（抛物线）选项外，还增加了Velocity Parabolic（速度抛物线）和Analysis product default（分析程序默认值）。

（2）Time Integrator Parameter（时间积分参数）：Analysis product default（分析程序默认值）和Specify（指定）选项。

（3）Initial acceleration Calculation at the beginning of step（分析步开始时的初始加速度计算）：适用于分析步开始时载荷不突然变化的情况，ABAQUS/Standard在分析步开始时不计算初始加速度。若前一个分析步也是动力学分析步，采用前一个分析步结束时的加速度作为新的分析步的加速度。若当前分析步是第一个动力学分析步，加速度为0；在默认情况下，ABAQUS/Standard计算初始加速度。

3．通用显式动力学分析步

Dynamic, Explicit（显式动力学）分析步用于显式动力学分析，其Edit Step（编辑分析步）对话框除了Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3个选项卡外，还包含一个Mass scaling（质量缩放）选项卡。

Basic（基础）选项卡页面中的Nlgeom（几何非线性）选项默认为On（开）。Incrementation （增量）选项卡页面的相关参数介绍如下：

（1）增量类型选择Automatic（自动）

① Stable increment estimator（稳定增量步估计）：

Global（全局）：此为默认选项，用于估算整个模型使用当前膨胀波速的最高频率。当采用该方法具有足够的精确度时，才从Element-by-element方式转化为Global方式。若模型包含流体单元、无限元、阻尼器、厚壳、厚梁、材料阻尼、自适应网格等，该方法不被使用。若使用该方法耗费太多的计算时间，ABAQUS/Explicit采用Element-by-element方法。

Element-by-element（逐个单元）：用于估算每个单元的最高频率，该方法是保守的，得到的稳定时间增量总是小于整体估算法。

② Max. time increment（最大时间增量步）：

Unlimited（无限制）：此为默认选项，不限制时间增量的上限。

Value（数值）：用于设置时间增量的上限。

（2）增量类型选择Fixed（固定）

Increment size selection（增量步值选择）：

User-defined time increment（用户定义的时间增量）。

Use element-by-element time increment estimator（适用逐个单元的时间增量估计器）：此为默认选项，ABAQUS/Explicit在分析步开始时采用逐个单元估算法计算时间增量，并将此值作为固定时间增量。

无论选择自动还是固定类型，选项卡最后都包含Time scaling factor（时间缩放系数）选项，用于输入时间增量比例因子，用于调整ABAQUS/Explicit计算出的稳定的时间增量，默认值为1不适用于用户选择固定时间增量（Fixed）中的User-defined time increment（用户定义的时间增量）的情况。

（1）Mass scaling（质量缩放）选项卡页面用于质量缩放的定义。当模型的某些区域包含控制稳定极限的很小单元时，ABAQUS/Explicit采用质量缩放功能来增加稳定极限，提高分析效率。

Use scaled mass and “throughout step” definitions from the previous step（使用前一分析步的缩放质量和“整个分析步”定义）：为默认选项，程序采用前一个分析步对质量缩放的定义。

Use scaling definitions below（使用下面的缩放定义）：用于创建一个或多个质量缩放定义。单击该对话框下部的Create…按钮，弹出Edit Mass Scaling（编辑质量缩放）对话框，如图3-40所示，在该对话框中选择质量缩放的类型并进行相应的设置，此处不再赘述。

设置完成后，Edit Step对话框的Data列表内将显示该质量缩放的设置，用户可以单击该对话框下部的Edit…或Delete按钮进行质量缩放定义的编辑或删除，如图3-41所示。

（2）Other（其他）选项卡页面，不同于Static、General（通用静力学）和Dynamic、Implicit （隐式动力学）的情况，该页面仅包含Linear bulk viscosity parameter和Quadratic bulk viscosity parameter两栏，如图3-42所示。

① Linear bulk viscosity parameter：用于输入线性体积黏度参数，默认值为0.06, ABAQUS/Explicit默认使用该类参数。

② Quadratic bulk viscosity parameter：用于输入二次体积黏度参数，默认值为1.2，仅适用于连续实体单元和压容积应变率。

4．线性摄动静力学分析步

Static, Linear perturbation（线性摄动静力）分析步用于线性静力学分析，其Edit Step（编辑分析步）对话框仅包含Basic（基本信息）和Other（其他）两个选项卡，如图3-43所示，且选项为Static（静力）、General（通用）的子集。

（1）Basic（基础）选项卡：包含Description（描述）栏；Nlgeom（几何非线性）为Off（关闭），即不涉及几何非线性问题。

（2）Other（其他）选项卡：仅包含Equation Solver（方程求解器）栏。

设置完Edit Step（编辑分析步）对话框后，单击OK按钮，完成分析步的创建。此时单击工具区Step Manager（分析步管理器）工具，可见步骤管理器内列出了初始步和已创建的分析步，可以对列出的分析步进行编辑、替换、重命名、删除和几何非线性的选择，如图3-44所示。另外，环境栏的Step列表中也列出了初始步和已创建的分析步。

ABAQUS对分析步的数量没有限制，但严格限制其排列顺序。当继续创建分析步时，Create Step（创建分析步）对话框的分析步列表自动更新，仅列出可以选用的分析步。

以上为四种常用的分析步，其他分析步的使用方法可以参阅系统帮助文件ABAQUS/CAE User's Manual和ABAQUS Analysis User's Manual。

3.4.2 输出设置

用户可以设置写入输出数据库的变量，包括场变量（以较低的频率将整个模型或模型的大部分区域的结果写入输出数据库）和历史变量（以较高的频率将模型的小部分区域的结果写入输出数据库）。

1．输出请求管理器

创建了分析步后，ABAQUS/CAE会自动创建默认的场变量输出要求和历史变量输出要求[线性摄动分析步中的Buckle（屈曲），Frequency-Complex Frequency（频率-综合特征值提取）无历史变量输出]。

单击左侧工具区中的Field Output Manager（场变量输出要求管理器）工具，或者在菜单栏中执行Output（输出）→Field Output Requests（场输出请求）→Manager（管理器）命令；以及单击左侧工具区的Field History Manager（历史变量输出要求管理器）工具，或者在菜单栏中执行Output（输出）→History Output Requests（历史输出请求）→Manager（管理器）命令，分别弹出Field Output Requests Manager（场变量输出要求管理器）和History Output Requests Manager（历史变量输出要求管理器），如图3-45（a）、（b）所示。

ABAQUS可以在场变量输出要求管理器中进行场变量输出要求的创建、重命名、复制、删除、编辑。此外，列表最左侧的表示该场变量输出要求被激活，单击此图标则变为，表示该场变量输出要求被抑制。

已创建的通用分析步的场变量输出要求，在之后所有的通用分析步中继续起作用，在管理器中显示为Propagated，如图3-45（a）所示。

该功能同样适用于线性摄动力学分析步，但必须是同种线性摄动分析步的场变量输出要求。

2．编辑输出请求

单击场变量输出要求管理器或历史变量输出要求管理器中的Edit..．按钮，弹出Edit Field Output Request（编辑场变量输出要求）或Edit History Output Request（编辑历史变量输出要求）对话框，如图3-46所示，就可以对场变量输出要求/历史变量输出要求进行修改。

（1）编辑场变量输出要求

在Edit Field Output Request对话框中，用户可以对场变量输出要求进行设置。不同分析步的选项可能不完全相同，下面以通用静力分析步为例进行介绍。

① Domain（作用域）：该列表用于选择输出变量的区域。

Whole model（整个模型），此为默认选项；

Set（集合）；

Bolt load（螺栓载荷）；

Composite layup（复合层接合部）；

Fastener（捆绑）；

Assembled fastener set（已装配的捆绑集）；

Substructure（子结构）；

Interaction（相互作用）；

Skin（蒙皮）；

Stringer（纵梁）。

② Frequency（频率）：该栏用于设置输出变量的频率。

Last increment（末尾增量步）；

Every n increments（每n个增量步），此为默认选项；

Evenly spaced time intervals（均匀时间间隔）；

Every x units of time（每x个时间单位）；

From time points（来自时间点）。

③ Timing（定时）：当在Frequency（频率）列表中选择Every x units of time（每x个时间单位）、Evenly spaced time intervals（均匀时间间隔）或From time points（来自时间点）时，该列表为可选，包括Output at exact times（在精确时间输出）和Output at approximate times（在近似时间输出）。

④ Output Variables（输出变量）：用于选择写入输出数据库的场变量，可通过几种方式进行选择：Select from list below（从列表中选择）、All（全选）、Preselected defaults（默认选择）、Edit variables（编辑变量名称）。输出变量列表与输出变量的区域选择相对应。这是需要重点选择的部分，写入输出数据库的场变量越多，输出数据库占的系统空间也相应增大，所以用户应该根据需要选择输出变量。

⑤ Output for rebar（钢筋的输出）：用于选择写入输出数据库的场变量中是否包括钢筋的结果，Domain（作用域）中为Whole model（整个模型）或Set（集合）时被激活。

⑥ Output at shell, beam, and layered section points（壳，梁和复合层截面点上的输出）：用于设置写入输出数据库的场变量的截面点，Domain（作用域）中为Whole model（整个模型）或Set（集合）时被激活。

⑦ Include local coordinate directions when available（包括可用的局部坐标方向）：不选择该项可以减小输出数据库，默认为选择该项。

（2）编辑历史变量输出要求

Edit History Output Request对话框与Edit Field Output Request对话框基本相同，现就其不同之处进行介绍（仍以Static, General分析步为例）。

Domain（作用域）中增加了Springs/Dashpots（将指定的弹簧/阻尼器的场变量写入输出数据库）和Contour integral（将指定的围线积分中的场变量写入输出数据库）。

不包含Include local coordinate directions when available（包括可用的局部坐标方向）选项。

3.4.3 分析步模块的其他功能

Step（分析步）模块除了能够设置分析步和定义输出变量外，还能通过Output（输出）菜单和Other（其他）菜单进行其他操作，下面进行简单介绍。

1．ALE自适应网格

ALE自适应网格适用于静力学分析（Static, General）、热-力耦合分析（Coupled temp-displacement），显式动力学分析（Dynamic, Explicit）、显式动态温度-位移耦合分析（Dynamic, Temp-disp, Explicit）、土壤力学分析（Soils）。

ALE自适应网格（ALE adaptive meshing）是任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）分析，它综合了拉格朗日分析和欧拉分析的特征，在整个分析中保持高质量的网格而不改变网格的拓扑结构。

主菜单中的Other（其他）下有3个子菜单用于ALE自适应网格。

（1）Other→ALE Adaptive Mesh Domain（ALE自适应网格的区域），一个分析步只能指定一个区域。

（2）Other→ALE Adaptive Mesh Constraint（ALE自适应网格的约束）。

（3）Other→ALE Adaptive Mesh Controls（ALE自适应网格的控制）。

2．求解控制

通过调整参数可以控制ABAQUS的分析，包括通用求解控制和线性方程组迭代求解器的控制。Other-General Solution Controls菜单用于通用求解控制，仅适用于ABAQUS/Standard的通用分析步，用户通过调整变量来控制收敛和时间积分的精确性。

Other→Solver Controls菜单用于线性方程组迭代求解器的控制，适用于通用静力学分析（Static, General）、线性摄动静力学分析（Static, Linear perturbation）、黏性分析（Visco）和传热分析（Heat transfer）。

读者要慎用通用求解控制，因为通用求解控制的默认设置适用于大多数分析，改变默认设置可能增加计算时间，产生不精确的解或导致收敛问题。