CAE軟件操作小百科（45）

方若詩

1 Abaqus中的多步驟分析

Abaqus模擬分析的一般目標(biāo)是確定模型對(duì)所施加載荷的響應(yīng)。載荷可以代表使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)從其初始狀態(tài)到發(fā)生變化的任何事情，例如：非零邊界條件或施加的位移、集中力、壓力以及場(chǎng)等。在某些情況下，載荷可能相對(duì)簡單，如施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中載荷；在另外一些問題中，施加在結(jié)構(gòu)上的載荷可能會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，例如，在某一時(shí)間段內(nèi)，不同的載荷按一定的順序施加到模型的不同部分，或載荷的幅值是隨時(shí)間變化的函數(shù)等。這種作用在模型上的復(fù)雜載荷即為載荷歷史。

在Abaqus中，用戶將整個(gè)載荷歷史劃分為若干個(gè)分析步，每一個(gè)分析步是由用戶指定的一個(gè)時(shí)間段。在該時(shí)間段內(nèi)，Abaqus計(jì)算該模型對(duì)一組特殊載荷和邊界條件的響應(yīng)。在每一個(gè)分析步中，用戶必須指定響應(yīng)的類型，稱為分析過程。從一個(gè)分析步到下一個(gè)分析步，分析過程也可能發(fā)生變化，例如：可以在一個(gè)分析步中施加靜態(tài)恒定載荷（如自重載荷），而在下一個(gè)分析步中計(jì)算這個(gè)施加載荷的結(jié)構(gòu)對(duì)于地震加速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。隱式和顯式分析均可以包含多個(gè)分析步驟，但是在同一個(gè)分析作業(yè)中不能夠組合隱式和顯式分析。為組合一系列的隱式和顯式分析步，可以應(yīng)用結(jié)果傳遞或輸入功能。

Abaqus的分析過程主要分為2類：線性擾動(dòng)和一般性分析。在Abaqus Standard或Abaqus Explicit中可以包括一般分析步，而線性擾動(dòng)分析步只能用于Abaqus Standard分析中。對(duì)于2種情況的載荷條件，其“時(shí)間”定義是不相同的，因而從每一種過程得到的結(jié)果必須區(qū)別對(duì)待。

在一般分析步中，模型的響應(yīng)可能是非線性的也可能是線性的；而在擾動(dòng)過程分析步中，響應(yīng)只能是線性的。Abaqus Standard處理這個(gè)分析步，作為由前面的一般分析步創(chuàng)建的預(yù)加載、預(yù)變形狀態(tài)的線性擾動(dòng)，即所謂的基本狀態(tài)；Abaqus的線性模擬功能比單純線性分析更廣。

2 Abaqus中分析步、增量步和迭代步的區(qū)分

分析步是由用戶定義的，是指一個(gè)分析過程的各個(gè)步驟所包含的不同載荷和邊界條件等。分析步一般包括分析過程選項(xiàng)、載荷選項(xiàng)和輸出要求選項(xiàng)。每個(gè)分析步運(yùn)用不同的載荷、邊界條件、分析過程選項(xiàng)和輸出要求。

增量步是分析步的一部分。在進(jìn)行非線性分析中，Abaqus將每個(gè)分析步的總載荷分解為更小的增量步，可在很小的載荷增量下得到收斂結(jié)果，以便進(jìn)行下一步分析。

增量步有initoal、min和max等3個(gè)屬性值設(shè)定。初始增量步中的載荷大小=總的載荷大小×初始增量步時(shí)間÷分析步總時(shí)間。在Abaqus Standard中，用戶設(shè)置初始增量步大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇后續(xù)增量步大小；而在Abaqus Explicit中，時(shí)間增量步完全是默認(rèn)的，且時(shí)間增量步要小得多。每個(gè)增量步結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)都處于近似平衡狀態(tài)，并可以將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)庫中，若將增量步設(shè)置輸出，則稱此增量步為幀。

迭代步是增量步中尋求平衡解答的嘗試。Abaqus首先根據(jù)用戶指定的初始增量步大小進(jìn)行迭代；在缺省狀態(tài)下，若某一增量步16次迭代中仍不收斂（或者出現(xiàn)發(fā)散），會(huì)放棄當(dāng)前增量步，并將增量步大小減小為當(dāng)前增量步大小的1/4，重新開始迭代嘗試。當(dāng)獲得平衡解答，即結(jié)果收斂時(shí)，迭代和增量步結(jié)束。

在Abaqus Explicit中不需迭代即可獲得解答。

可在Basic中設(shè)置分析步的時(shí)間周期和Nlgeom幾何非線性等。在Increment中設(shè)置增量步是自動(dòng)還是固定、增量步的最大數(shù)目（最大增量步結(jié)束還沒完成分析，計(jì)算仍會(huì)中止）、初始增量步大小等。

3 Abaqus節(jié)點(diǎn)值隨分析步變化的設(shè)置方法

在數(shù)值模擬當(dāng)中，常常關(guān)注某些點(diǎn)隨著分析步的變化情況，例如在隧道開挖模擬中關(guān)注某些點(diǎn)的變形隨隧道的掘進(jìn)而產(chǎn)生變化的情況，最后與實(shí)際的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。Abaqus后處理中關(guān)于節(jié)點(diǎn)數(shù)值（應(yīng)力、變形等）隨著分析步的變化設(shè)置方法如下。

依次點(diǎn)擊Tools→XY Data→Create，在Source版塊中選擇ODB Field Output，進(jìn)入XY Data from ODB Field Output選項(xiàng)卡，在Position的下拉菜單中選擇單元、節(jié)點(diǎn)等，勾選所關(guān)心的變量，如應(yīng)力、變形和反力等，當(dāng)然也可以勾選多個(gè)。選擇節(jié)點(diǎn)（Unique Nodal）以及豎向變形（U2）的選項(xiàng)卡見圖1。

點(diǎn)擊Elements/Nodes（見圖2），可以看到在Method中有4種選擇方法。若選擇第一種Pick from viewport，接著點(diǎn)擊Edit Selection，再在云圖當(dāng)

中選擇自己關(guān)心的點(diǎn)，最后點(diǎn)擊Save。

依次點(diǎn)擊Tools→XY Data →Manager，進(jìn)入XY Data Manager對(duì)話框，見圖3。由于前面步驟只勾選了U2，所以這里就只有一個(gè)，若前面勾選多個(gè)，則在這里同樣會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的結(jié)果。點(diǎn)擊Plot可以顯示該節(jié)點(diǎn)U2值隨著分析步的變形情況，見圖4。

（摘自同濟(jì)大學(xué)鄭百林教授《CAE操作技能與實(shí)踐》課堂講義）

（待續(xù)）