【轉(zhuǎn)載】ABAQUS學習和開發(fā)淺談

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

ABAQUS是非線性有限元分析(Nonlinear Finite Element Analysis)領域的一門重炮。

ABAQUS不僅廣泛地應用于工程領域,在相關學術研究領域也頗受青睞。許多力學方面的國際著名雜志,如 IJNME(International Journal for Numerical Methods in Engineering)、CMAME(Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering)、MOM(Mechanics of Materials)、IJSS、IJP等常有以ABAQUS為平臺、通過二次開發(fā)后進行數(shù)值分析模擬的文章。

ABAQUS在土木工程領域也逐漸得到了廣泛的應用。ABAQUS自身具有幾個典型的混凝土及土的多維本構模型,用來進行一般的工程結(jié)構非線性有限元分析表現(xiàn)尚可。令人鼓舞的是,我們還可以在ABAQUS的基礎上進行二次開發(fā)以獲得更符合實際的數(shù)值模擬結(jié)果,如基于桿系單元(B31、B32等)開發(fā)較精細的混凝土單軸滯回本構模型,針對shear-critical構件開發(fā)合適的彎剪耦合RC單元,深入探究梁柱節(jié)點非線性行為開發(fā)合適的宏觀節(jié)點單元等等。更具魅力的是,我們還可以開發(fā)各種處于發(fā)展和考證中的混凝土多軸本構模型(如亞塑性、邊界面、損傷&塑性、微平面等等),擴展ABAQUS的土木材料/單元庫,獲得更貼近事物本質(zhì)的understandings。

ABAQUS的學習曲線顯然要比ANSYS之類的陡峭漫長。只有不斷地進行學習、理解和嘗試,才能逐漸在ABAQUS及其所涉及的專業(yè)領域登堂入室。個人覺得在入門之后要提高ABAQUS的水平需要做好以下幾點:

(1)經(jīng)常復習張量理論和連續(xù)介質(zhì)力學。ABAQUS幫助文件的許多表達式均是以張量形式書寫的,若看不懂這些式子則后面的學習將難以為繼。事實上,張量早已成為力學界進行交流的一種簡語,ABAQUS使用張量對連續(xù)體進行客觀描述也只不過是連續(xù)體FEA的題中應有之義,而熟悉連續(xù)體力學的基本原理更是深入ABAQUS的必由之路。

(2)深刻理解非線性有限元的求解策略和過程。一定要自己親手編寫一個較簡單的非線性有限元程序,理解線性化(Linearization)、預測與修正(Prediction and Correction)、迭代(Iteration)等的具體涵義以及常用的非線性方程組解法的基本過程(如Newton-Raphson法、Arc Length法等)。當然也可以通過讀懂一些開源的規(guī)模較小的NFEA程序(如FEAPpv、OOFEM、Drain2DX、ZeusNL)或者國外的非線性有限元教材所附帶的源程序等來獲得如上經(jīng)驗。

(3)以ABA幫助文件的例子為發(fā)軔,盡快動手編寫ABAQUS的用戶自定義子程序(UMAT、UEL等)。譬如在梁單元或?qū)嶓w單元的基礎上開發(fā)簡單的1維或多維理想彈塑性本構(UMAT),又譬如可嘗試開發(fā)很實用的點-點非線性彈簧單元(UEL)。由簡入繁,由淺入深,逐步掌握ABAQUS各種子程序的二次開發(fā)要領。在反復調(diào)試和驗證的過程中,品嘗開發(fā)成功的愉悅(盡管這個過程可能是相當枯燥而漫長的)。

(4)多學習一些損傷力學、斷裂力學、粘彈/塑性力學等其它力學門類的知識,多了解一些別的數(shù)值計算方法(如離散元、無網(wǎng)格法、邊界元、XFEM等等),多閱讀一些高水平的英文論文,知道人家在做些什么。

(5)在鉆進去的同時也要跳得出來。非線性分析的本質(zhì)不過是對瞬息萬變的復雜自然現(xiàn)象的一種人為逼近。從一些基本的原理、體驗入手,或許能頓悟。

個人推薦的幾本Basic學習書籍:

①. Owen的 " Finite Elements in Plasticity: Theory and Practice (1980) “ 和 " Computational Methods for Plasticity: Theory and Applications (2008) ";

②. Belytschko的 " Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures (2000) ";

③. Zienkiewicz 、Taylor的 " The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics, Sixth Edition (2005)";

④. Crisfield的 " Non-Linear Finite Element Analysis of Solids and Structures (Vol. 1 and 2) (1991, 1997)";

⑤. Bonet的 " Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis (2008)";

⑥. 范鏡泓、高芝暉的 " 非線性連續(xù)介質(zhì)力學基礎 (1987) ".

寫到這里,想起⑤書的開場白,那是英國詩人Pope在 " An Essay on Criticism " 的一段fragment:

"A little learning is a dangerous thing;
Drink deep, or taste not the Pierian spring:
There shallow Draughts intoxicate the Brain,
And drinking largely sobers us again."

粗略翻譯如下:

"一知半解貽害不淺;
神泉之水啊,君若無意酣飲,還請勿去小啜。
倘若淺嘗輒止,只會如墜迷霧,
唯有開懷暢飲,終能如入臻境?！?

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