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上篇　ABAQUS应用指南1

第1章　引言1

1.1 HKS与ABAQUS1

1.2　有限元著作和软件的发展历史2

1.3　有限元带来设计的革命5

1.4　在设计中应用ABAQUS7

1.5　ABAQUS产品7

1.5.1　ABAQUS软件产品7

1.5.2　ABAQUS文档9

1.6.1　使用隐式方法求解位移11

1.6　有限元法的简单回顾11

1.6.2　应力波传播的描述13

1.7　关于ABAQUS实践教程14

1.7.1　本书内容14

1.7.2　本书中的一些约定15

1.7.3　鼠标的基本操作15

1.7.4　本书上篇中的有关章节16

第2章　ABAQUS基础17

2.1　ABAQUS分析模型的组成17

2.2 ABAQUS/CAE简介19

2.2.1　启动ABAQUS/CAE19

2.2.2　主窗口的组成部分20

2.2.3　什么是功能模块22

2.3 例题：用ABAQUS/CAE生成桥式吊架模型24

2.3.1　量纲25

2.3.2　创建部件26

2.3.3　创建材料29

2.3.4　定义和赋予截面（section）特性29

2.3.5　定义装配31

2.3.6　设置分析过程31

2.3.7　在模型上施加边界条件和载荷34

2.3.8　模型的网格剖分36

2.3.9　创建一个分析作业38

2.3.10　检查模型38

2.3.11　运行分析39

2.3.1　2用ABAQUS/CAE进行后处理40

2.3.13　应用ABAQUS/Explicit重新运行分析46

2.3.14　对动态分析的结果进行后处理47

2.4　比较隐式与显式过程49

2.4.1　在隐式和显式分析之间选择49

2.4.2　在隐式和显式分析中网格加密的成本50

小结50

第3章　有限单元和刚性体52

3.1　有限单元52

3.1.1　单元的表征52

3.1.2　实体单元55

3.1.3　壳单元58

3.1.4　梁单元60

3.1.5　桁架单元61

3.2　刚性体62

3.2.1　确定何时使用刚性体63

3.2.2　刚性体部件63

3.2.3　刚性单元64

3.3　质量和转动惯量单元65

3.4　弹簧和减振器单元65

小结66

第4章　应用实体单元67

4.1　单元的数学描述和积分67

4.1.1　完全积分68

4.1.2　减缩积分70

4.1.3　非协调单元72

4.1.4　杂交单元73

4.2　选择实体单元74

4.3　例题：连接环75

4.3.1　前处理——应用ABAQUS/CAE建模75

4.3.2　后处理——结果可视化85

4.3.3　用ABAQUS/Explicit重新进行分析97

4.3.4　后处理动力学分析结果97

4.4　网格收敛性102

4.5　例题：橡胶块中的沙漏（ABAQUS/Explicit）105

4.5.1　前处理——用ABAQUS/CAE创建模型106

4.5.2　后处理112

4.5.3　改变网格的效果117

4.6　相关的ABAQUS例题120

4.7　建议阅读的文献120

小结121

第5章　应用壳单元123

5.1　单元几何尺寸123

5.1.1　壳体厚度和截面点（section points）123

5.1.2　壳法线和壳面124

5.1.3　壳的初始曲率125

5.2　壳体公式——厚壳或薄壳126

5.1.4　参考面的偏移（referance surface offset）126

5.3　壳的材料方向127

5.3.1　默认的局部材料方向127

5.3.2　建立可变的材料方向128

5.4　选择壳单元129

5.5　例题：斜板129

5.5.1　前处理——用ABAQUS/CAE建立模型130

5.5.2　后处理134

5.6　相关的ABAQUS例题141

5.7　建议阅读的文献141

小结142

6.1　梁横截面几何形状143

第6章　应用梁单元143

6.1.1　截面点（section points）144

6.1.2　横截面方向144

6.1.3　梁单元曲率145

6.1.4　梁截面的节点偏移146

6.2　计算公式和积分147

6.2.1　剪切变形147

6.2.2　扭转响应——翘曲148

6.3　选择梁单元149

6.4　例题：货物吊车149

6.4.1　前处理——应用ABAQUS/CAE创建模型151

6.4.2　后处理161

6.5　相关的ABAQUS例子165

6.6　建议阅读的文献165

小结165

第7章　线性动态分析167

7.1 引言167

7.1.1　固有频率和模态167

7.1.2　振型叠加168

7.2　阻尼169

7.2.1　在ABAQUS/Standard中阻尼的定义170

7.2.2　选择阻尼值170

7.5　例题：货物吊车——动态载荷171

7.4　动态问题的网格剖分171

7.3　单元选择171

7.5.1　修改模型173

7.5.2　结果176

7.5.3　后处理178

7.6　模态数量的影响181

7.7　阻尼的影响182

7.8　与直接时间积分的比较183

7.9　其他的动态过程184

7.9.1　线性模态法的动态分析184

7.11　建议阅读的文献185

7.10 相关的ABAQUS的例子185

7.9.2　非线性动态分析185

小结186

第8章　非线性187

8.1　非线性的来源188

8.1.1　材料非线性188

8.1.2　边界非线性188

8.1.3　几何非线性189

8.2　非线性问题的求解190

8.2.1　分析步、增量步和迭代步191

8.2.2　ABAQUS/Standard中的平衡迭代和收敛191

8.3　在ABAQUS分析中包含非线性193

8.3.1　几何非线性193

8.2.3　ABAQUS/Standard中的自动增量控制193

8.3.2　材料非线性194

8.3.3　边界非线性195

8.4　例题：非线性斜板195

8.4.1　修改模型195

8.4.2　作业诊断197

8.4.3　后处理201

8.4.4　用ABAQUS/Explicit运行分析205

8.5　相关的ABAQUS例子205

8.6　建议阅读的文献205

小结206

第9章　显式非线性动态分析207

9.1 ABAQUS/Explicit适用的问题类型207

9.2　动力学显式有限元方法208

9.2.1　显式时间积分208

9.2.2　比较隐式和显式时间积分程序209

9.2.3　显式时间积分方法的优越性210

9.3　自动时间增量和稳定性211

9.3.1　显式方法的条件稳定性211

9.3.2　稳定性限制的定义211

9.3.3　在ABAQUS/Explicit中的完全自动时间增量与固定时间增量212

9.3.7　数值不稳定性213

9.3.6　网格对稳定极限的影响213

9.3.4　质量缩放以控制时间增量213

9.3.5　材料对稳定极限的影响213

9.4　例题：在棒中的应力波传播214

9.4.1　前处理——用ABAQUS/CAE创建模型214

9.4.2　后处理219

9.4.3　网格对稳定时间增量和CPU时间的影响224

9.4.4　材料对稳定时间增量和CPU时间的影响225

9.5　动态振荡的阻尼226

9.5.1　体粘性226

9.5.2　粘性压力227

9.5.3　材料阻尼227

9.6.1　能量平衡的表述228

9.6.2　能量平衡的输出228

9.5.4　离散的减振器228

9.6　能量平衡228

9.7　弹簧和减振器的潜在不稳定性229

9.7.1　确定稳定时间增量231

9.7.2　识别非稳定性232

9.7.3　消除不稳定性235

小结237

第10章　材料239

10.1 在ABAQUS中定义材料239

10.2　延性生金属的塑性239

10.2.1　延性金属的塑性性质239

10.2.3　在ABAQUS中定义塑性240

10.2.2　有限变形的应力和应变度量240

10.3　弹-塑性问题的单元选取244

10.4　例题：连接环的塑性244

10.4.1　修改模型245

10.4.2　作业监控和诊断246

10.4.3　对结果进行后处理251

10.4.4　在材料模型中加入硬化特性252

10.4.5　运行考虑了塑性硬化的分析252

10.4.6　对结果进行后处理253

10.5　例题：加强板承受爆炸载荷259

10.5.1　前处理——用ABAQUS/CAE创建模型260

10.5.2　后处理266

10.5.3　分析的回顾270

10.6　超弹性273

10.6.1　引言273

10.6.2　可压缩性274

10.6.3　应变势能275

10.6.4　应用试验数据定义超弹性行为275

10.7　例题：轴对称橡胶支座277

10.7.1　对称性277

10.7.2　前处理——应用ABAQUS/CAE创建模型278

10.7.3　后处理285

10.8　大变形的网格设计291

10.9　减少体积自锁的技术292

10.10　相关的ABAQUS例题293

10.11　建议阅读的文献293

小结294

第11章　多步骤分析295

11.1　一般分析过程295

11.1.1　在一般分析步中的时间296

11.1.2　在一般分析步中指定载荷296

11.2　线性摄动分析296

11.2.1　在线性摄动分析步中的时间297

11.2.2　在线性摄动分析步中指定载荷297

11.3.1　前处理——用ABAQUS/CAE创建模型300

11.3　例题：管道系统的振动300

11.3.2　对作业的监控302

11.3.3 后处理303

11.4　重启动分析304

11.4.1　重启动和状态文件304

11.4.2　重启动一个分析304

11.5　例题：重启动管道的振动分析306

11.5.1　创建一个重启动分析模型306

11.5.2　监控作业307

11.5.3　对重启动分析的结果作后处理307

11.6 相关的ABAQUS例题310

小结311

12.2　定义接触面312

第12章　接触312

12.1 ABAQUS接触功能概述312

12.3　接触面间的相互作用314

12.3.1　接触面的法向行为314

12.3.2　表面的滑动315

12.3.3　摩擦模型315

12.3.4　其他接触相互作用选项317

12.3.5　基于表面的约束317

12.4　在ABAQUS/Standard中定义接触318

12.4.1　接触相互作用318

12.4.2　从属（slave）和主控（master）表面318

12.4.4　单元选择319

12.4.3　小滑动与有限滑动319

12.4.5　接触算法320

12.5　在ABAQUS/Standard中的刚性表面模拟问题321

12.6　ABAQUS/Stancdard例题：凹槽成型323

12.6.1　前处理——用ABAQUS/CAE建模323

12.6.2　监视作业335

12.6.3　ABAQUS/Standard接触分析的故障检测335

12.6.4　后处理338

12.7　在ABAQUS/Explicit中定义接触343

12.8 ABAQUS/Explicit建模中需要考虑的问题347

12.8.1　正确定义表面347

12.8.3　网格细化352

12.8.2　模型的过约束352

12.8.4　初始过盈接触353

12.9　ABAQUS/Explicit例题：电路板跌落试验354

12.9.1　前处理——用ABAQUS/CAE建模354

12.9.2　后处理365

12.10　综合例题：筒的挤压372

12.10.1　前处理——用ABAQUS/CAE创建模型373

12.10.2　屈曲分析的结果377

12.10.3　修改模型创建筒的挤压分析378

12.10.4　挤压分析的结果381

12.12　相关的ABAQUS例题383

12.11　ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的比较383

12.13　建议阅读的文献384

小结384

第13章 ABAQUS/Explicit准静态分析386

13.1　显式动态问题类比386

13.2　加载速率387

13.2.1　光滑幅值曲线387

13.2.2　结构问题387

13.2.3　金属成型问题389

13.3　质量放大390

13.4　能量平衡391

13.5.1　前处理——应用ABAQUS/Explicit重新运算模型392

13.5　例题：ABAQUS/Explicit凹槽成型392

13.5.2　成型分析——尝试2397

13.5.3　两次成型尝试的讨论398

13.5.4　加速分析的方法402

小结405

下篇　ABAQUS应用实例407

第14章　ABAQUS在土木工程中的应用（一）407

14.1　问题描述407

14.2　斜拉桥建模407

14.2.1　桥塔建模409

14.2.2　拉索建模409

14.2.3　桥面体系410

14.2.4　数值方法的选取411

14.3　静力分析和施工过程仿真412

14.3.1　常规方式的静力分析412

14.3.2　逐段加载417

14.4　动态分析423

14.4.1　模态分析424

14.4.2　地震反应时程分析430

第15章　ABAQUS在土木工程中的应用（二）434

15.1　钢筋混凝土圆柱形结构的倾倒分析434

15.1.1　分析模型434

15.1.2　ABAQUS混凝土本构模型434

15.1.3　混凝土中的加强筋439

15.1.4　分析结果440

15.2　牙轮钻头破岩过程模拟446

15.3　大型储液罐的动力分析449

15.3.1　问题描述449

15.3.2　储液罐有限元模型450

15.3.3　附加质量公式和单元模型452

15.3.4　动力响应分析过程454

15.3.5　动力响应分析结果与讨论454

16.1.1　前言456

16.1.2　CAD模型和ABAQUS有限元模型456

16.1　一种新型高速客车空气弹簧的非线性有限元分析456

第16章　ABAQUS多场耦合问题工程实例456

16.1.3　空气弹簧的有限元计算结果与分析458

16.1.4　计算结果和分析460

16.2　多场耦合问题在水坝工程中的应用两例462

16.2.1　变形场—温度场—渗流场分析（THM分析）及堆石坝实例463

16.2.2　掺MgO混凝土拱坝的施工／运行仿真分析（TCM分析）468

16.2.3　小结473

16.3　复合材料层合板固化过程中的化学场、温度场耦合问题473

16.3.1　前言473

16.3.2　ABAQUS有限元模型474

16.3.3　材料属性474

16.3.4　初始条件和边界条件474

16.3.5　用户子程序475

16.3.6　结果与分析477

第17章　ABAQUS在焊接工业中的应用480

17.1　用ABAQUS软件进行插销试验焊接温度场分析480

17.1.1　平板焊接温度场有限元分析及实测对比480

17.1.2　插销试验的温度场483

17.2　焊接接头氢扩散数值模拟484

17.2.1　接头扩散过程的几项基本假设485

17.2.2　初始条件和边界条件485

17.2.3　焊接接头氢扩散计算结果486

第18章　橡胶超弹性材料的应用实例489

18.1　问题简介489

18.2.2　各类超弹性本构模型490

18.2　橡胶各种本构关系模型490

18.2.1　超弹性模型本构关系基本理论490

18.2.3　小结494

18.3　过盈配合平面应力下的小变形解495

18.4　过盈配合平面应力下的大变形解498

18.5　体积刚度及泊松比对过盈配合的影响501

18.5.1　体积刚度对过盈配合的影响502

18.5.2　泊松比对过盈配合的影响503

第19章　ABAQUS用户材料子程序（UMAT）504

19.1　引言504

19.2.2　率相关塑性的基本公式505

19.2.1　Johnson-Cook强化模型简介505

19.2　模型的数学描述505

19.2.3　完全隐式的应力更新算法506

19.3　ABAQUS用户材料子程序508

19.3.1　子程序概况与接口508

19.3.2　编程510

19.4　SHPB实验的有限元模拟511

19.4.1　分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验511

19.4.2　有限元建模512

19.4.3　二维动态分析515

19.4.4　三维动态分析524

19.5.1　UMAT525

19.5　UMAT的Fortran程序525

19.5.2　UMATHT（包含材料的热行为）531

第20章　ABAQUS用户单元子程序（UEL）533

20.1　非线性索单元533

20.1.1　背景533

20.1.2　基本公式533

20.1.3　应用举例534

20.1.4　非线性索单元用户子程序536

20.2　利用ABAQUS用户单元计算应变梯度塑性问题541

20.2.1　两种应变梯度理论542

20.2.2　ABAQUS用户单元的使用544

20.2.3　有限元计算的结果545