材料力学仿真软件：Code_Aster_（10）.案例分析与实践
案例分析与实践
在这一节中，我们将通过具体的案例来分析和实践如何使用Code_Aster进行材料力学仿真。这些案例将涵盖从简单的线性弹性问题到复杂的非线性分析，帮助读者更好地理解和掌握Code_Aster的使用方法和技巧。
案例1：线性弹性梁分析
1.1 问题描述
假设有一根简支梁，长度为10米，高度为0.5米，宽度为0.2米。梁的一端固定，另一端受到集中载荷的作用。我们需要仿真梁的应力和位移分布。
1.2 建立模型
首先，我们需要在Code_Aster中建立梁的几何模型和网格。这里我们使用Gmsh进行几何建模和网格划分。
1.2.1 几何建模
在Gmsh中，创建一个简单的梁模型：
// 梁的长度、高度和宽度
L = 10; // 长度
H = 0.5; // 高度
W = 0.2; // 宽度
// 创建点
Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};
Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};
Point(3) = {L, H, 0, 1.0};
Point(4) = {0, H, 0, 1.0};
// 创建线
Line(1) = {1, 2};
Line(2) = {2, 3};
Line(3) = {3, 4};
Line(4) = {4, 1};
// 创建面
Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};
Plane Surface(1) = {1};
// 创建体
Extrude {0, 0, W} {
Surface{1}; Layers{1}; Recombine;
}保存上述文件为beam.geo，然后使用Gmsh生成网格：
gmsh -3 beam.geo -o beam.msh1.2.2 导入网格
将生成的网格文件beam.msh导入Code_Aster中。我们使用Salome进行网格文件的导入和处理。
打开Salome。
选择File > Open，打开beam.msh文件。
选择File > Save，将网格文件保存为beam.med格式。
1.3 定义材料属性和边界条件
在Code_Aster中，我们需要定义梁的材料属性和边界条件。
1.3.1 材料属性
假设梁的材料为钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。
# 定义材料属性
E = 210e9 # 弹性模量 (Pa)
nu = 0.3 # 泊松比
rho = 7800 # 密度 (kg/m^3)
# 创建材料
MAT = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=E, NU=nu)
)1.3.2 边界条件
固定梁的一端，另一端施加集中载荷。
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MODI decoded MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='FixedEnd', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MODI decoded MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='LoadPoint', FX=0, FY=-10000, FZ=0),
)
)1.4 编写Code_Aster输入文件
接下来，我们需要编写Code_Aster的输入文件，主要包括几何模型、材料属性、边界条件和求解设置。
# 导入必要的模块
from code_aster import *
# 创建模型
MOD = LIRE_MAILLAGE(
FORMAT='MED',
FICHIER='beam.med',
INFO=2
)
# 定义材料属性
MAT = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=210e9, NU=0.3)
)
# 定义材料模型
MATER = AFFE_MATERIAU(
MAILLAGE=MOD,
AFFE=(
_F(TOUT='OUI', MATER=MAT),
)
)
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='FixedEnd', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='LoadPoint', FX=0, FY=-10000, FZ=0),
)
)
# 定义求解器
MODEL = AFFE_MODELE(
MAILLAGE=MOD,
AFFE=(
_F(TOUT='OUI', MODELISATION='3D'),
)
)
# 定义线性静态分析
STATIC = STATIQUE(
MODELE=MODEL,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
EXCIT=(
_F(CHARGE=FIXE),
_F(CHARGE=CHARGE),
),
INFO=2
)
# 定义输出结果
RESU = CALC_CHAMP(
RECU_FORC=int(2),
RESULTAT=STATIC,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
INFO=2
)
# 保存结果
IMPR_RESU(
FORMAT='MED',
RESULTAT=RESU,
FICHIER='beam_results'
)1.5 运行仿真
将上述输入文件保存为beam_aster.py，然后使用Code_Aster运行仿真：
as_run --all beam_aster.py1.6 结果分析
运行完成后，结果将保存在beam_results.med文件中。我们可以在Salome中打开该文件，查看梁的应力和位移分布。
打开Salome。
选择File > Open，打开beam_results.med文件。
选择Study > New Mesh, 选择beam_results中的网格。
选择Mesh > Show，查看网格。
选择Result > Show, 选择beam_results中的结果，查看应力和位移分布。
案例2：非线性接触分析
2.1 问题描述
假设有一个平板与一个球体接触，平板受到垂直向下的力作用，球体固定不动。我们需要仿真接触面的应力和位移分布。
2.2 建立模型
2.2.1 几何建模
在Gmsh中，创建一个平板和一个球体的模型：
// 平板的尺寸
L = 10; // 长度
W = 2; // 宽度
T = 0.1; // 厚度
// 球体的半径
R = 1;
// 创建平板
Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};
Point(2) = {L, 0, 0, 1.0};
Point(3) = {L, W, 0, 1.0};
Point(4) = {0, W, 0, 1.0};
Line(1) = {1, 2};
Line(2) = {2, 3};
Line(3) = {3, 4};
Line(4) = {4, 1};
Line Loop(1) = {1, 2, 3, 4};
Plane Surface(1) = {1};
Extrude {0, 0, T} {
Surface{1}; Layers{1}; Recombine;
}
// 创建球体
Point(5) = {L/2, W/2, R, 1.0};
Sphere(2) = {L/2, W/2, 0, R, 2*Pi, Pi, 2*Pi};
// 创建接触面
Physical Surface(1) = {1};
Physical Volume(2) = {2};保存上述文件为contact.geo，然后使用Gmsh生成网格：
gmsh -3 contact.geo -o contact.msh2.2.2 导入网格
将生成的网格文件contact.msh导入Code_Aster中。我们使用Salome进行网格文件的导入和处理。
打开Salome。
选择File > Open，打开contact.msh文件。
选择File > Save，将网格文件保存为contact.med格式。
2.3 定义材料属性和边界条件
在Code_Aster中，我们需要定义平板和球体的材料属性和边界条件。
2.3.1 材料属性
假设平板的材料为铝，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.33。球体的材料为钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。
# 定义材料属性
E_ALU = 70e9 # 铝的弹性模量 (Pa)
nu_ALU = 0.33 # 铝的泊松比
rho_ALU = 2700 # 铝的密度 (kg/m^3)
E_STEEL = 210e9 # 钢的弹性模量 (Pa)
nu_STEEL = 0.3 # 钢的泊松比
rho_STEEL = 7800 # 钢的密度 (kg/m^3)
# 创建材料
MAT_ALU = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=E_ALU, NU=nu_ALU)
)
MAT_STEEL = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=E_STEEL, NU=nu_STEEL)
)2.3.2 边界条件
固定球体，平板受到垂直向下的力作用。
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='Sphere', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='PlateLoad', FX=0, FY=0, FZ=-5000),
)
)2.4 编写Code_Aster输入文件
接下来，我们需要编写Code_Aster的输入文件，主要包括几何模型、材料属性、边界条件和求解设置。
# 导入必要的模块
from code_aster import *
# 创建模型
MOD = LIRE_MAILLAGE(
FORMAT='MED',
FICHIER='contact.med',
INFO=2
)
# 定义材料属性
MAT_ALU = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=70e9, NU=0.33)
)
MAT_STEEL = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=210e9, NU=0.3)
)
# 定义材料模型
MATER = AFFE_MATERIAU(
MAILLAGE=MOD,
AFFE=(
_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='Plate', MATER=MAT_ALU),
_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='Sphere', MATER=MAT_STEEL),
)
)
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='Sphere', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='PlateLoad', FX=0, FY=0, FZ=-5000),
)
)
# 定义接触面
CONTACT = AFFE_GROUP(
MAILLAGE=MOD,
GROUP_MA=_F(NOM='ContactFace', GROUP_MA='PlateBottom')
)
# 定义非线性静态分析
STATIC = STATIQUE(
MODELE=MODEL,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
EXCIT=(
_F(CHARGE=FIXE),
_F(CHARGE=CHARGE),
),
CONTACT=_F(
GROUP_MA=CONTACT,
TYPE_CONTACT='DEPLACEMENT',
FROTTEMENT='Coulomb',
COEF_FROT=0.3
),
INFO=2
)
# 定义输出结果
RESU = CALC_CHAMP(
RECU_FORC=int(2),
RESULTAT=STATIC,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
INFO=2
)
# 保存结果
IMPR_RESU(
FORMAT='MED',
RESULTAT=RESU,
FICHIER='contact_results'
)2.5 运行仿真
将上述输入文件保存为contact_aster.py，然后使用Code_Aster运行仿真：
as_run --all contact_aster.py2.6 结果分析
运行完成后，结果将保存在contact_results.med文件中。我们可以在Salome中打开该文件，查看平板和球体的应力和位移分布。
打开Salome。
选择File > Open，打开contact_results.med文件。
选择Study > New Mesh, 选择contact_results中的网格。
选择Mesh > Show，查看网格。
选择Result > Show, 选择contact_results中的结果，查看应力和位移分布。
案例3：热-力耦合分析
3.1 问题描述
假设有一个圆柱体，受到外部热源的影响，同时承受轴向载荷。我们需要仿真圆柱体的温度分布和应力分布。
3.2 建立模型
3.2.1 几何建模
在Gmsh中，创建一个圆柱体的模型：
// 圆柱的尺寸
R = 1; // 半径
H = 10; // 高度
// 创建圆柱
Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};
Point(2) = {0, 0, H, 1.0};
Circle(1) = {1, 0, 0, R, 2*Pi, 0};
Rotate {{0, 0, 1}, {0, 0, 0}, H} {
Curve{1};
}
Line Loop(1) = {1, 2};
Surface(1) = {1};
Extrude {0, 0, H} {
Surface{1}; Layers{1}; Recombine;
}
// 创建接触面
Physical Surface(1) = {1};
Physical Volume(2) = {2};保存上述文件为cylinder.geo，然后使用Gmsh生成网格：
gmsh -3 cylinder.geo -o cylinder.msh3.2.2 导入网格
将生成的网格文件cylinder.msh导入Code_Aster中。我们使用Salome进行网格文件的导入和处理。
打开Salome。
选择File > Open，打开cylinder.msh文件。
选择File > Save，将网格文件保存为cylinder.med格式。
3.3 定义材料属性和边界条件
在Code_Aster中，我们需要定义圆柱体的材料属性和边界条件。
3.3.1 材料属性
假设圆柱体的材料为铜，弹性模量为110 GPa，泊松比为0.33，热导率为385 W/(m·K)，比热容为385 J/(kg·K)，密度为8960 kg/m^3。
# 定义材料属性
E_CU = 110e9 # 铜的弹性模量 (Pa)
nu_CU = 0.33 # 铜的泊松比
rho_CU = 8960 # 铜的密度 (kg/m^3)
lambda_CU = 385 # 铜的热导率 (W/(m·K))
Cp_CU = 385 # 铜的比热容 (J/(kg·K))
# 创建材料
MAT_CU = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=E_CU, NU=nu_CU),
THER=_F(TC=1/lambda_CU, RHO=rho_CU, CP=Cp_CU)
)3.3.2 边界条件
固定圆柱体的一端，另一端施加轴向载荷。同时，圆柱体的侧面受到外部热源的影响。
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='FixedEnd', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='LoadPoint', FX=0, FY=0, FZ=-10000),
)
)
# 定义热边界条件
HEAT = AFFE_CHAR_THER(
MAILLAGE=MOD,
FLUX_IMPO=(
_F(GROUP_MA='CylinderSide', FLUX=1000), # 侧面热流 (W/m^2)
)
)3.4 编写Code_Aster输入文件
接下来，我们需要编写Code_Aster的输入文件，主要包括几何模型、材料属性、边界条件和求解设置。
# 导入必要的模块
from code_aster import *
# 创建模型
MOD = LIRE_MAILLAGE(
FORMAT='MED',
FICHIER='cylinder.med',
INFO=2
)
# 定义材料属性
MAT_CU = DEFI_MATERIAU(
ELAS=_F(E=110e9, NU=0.33),
THER=_F(TC=1/385, RHO=8960, CP=385)
)
# 定义材料模型
MATER = AFFE_MATERIAU(
MAILLAGE=MOD,
AFFE=(
_F(TOUT='OUI', MATER=MAT_CU),
)
)
# 定义边界条件
FIXE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
DDL_IMPO=(
_F(GROUP_MA='FixedEnd', DX=0, DY=0, DZ=0, DRX=0, DRY=0, DRZ=0),
)
)
# 定义载荷
CHARGE = AFFE_CHAR_MECA(
MAILLAGE=MOD,
FORCE_NODALE=(
_F(GROUP_NO='LoadPoint', FX=0, FY=0, FZ=-10000),
)
)
# 定义热边界条件
HEAT = AFFE_CHAR_THER(
MAILLAGE=MOD,
FLUX_IMPO=(
_F(GROUP_MA='CylinderSide', FLUX=1000), # 侧面热流 (W/m^2)
)
)
# 定义热分析
THER = THERMIQUE(
MODELE=MODEL,
CHAM_MATER=MATER,
EXCIT=(
_F(CHARGE=HEAT),
),
INFO=2
)
# 定义热-力耦合分析
COUP = MECA_THERM(
MODELE=MODEL,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
EXCIT=(
_F(CHARGE=FIXE),
_F(CHARGE=CHARGE),
_F(CHARGE=THER),
),
INFO=2
)
# 定义输出结果
RESU = CALC_CHAMP(
RECU_FORC=int(2),
RESULTAT=COUP,
CHAM_MATER=MATER,
CARA_ELEM=_F(TOUT='OUI', GROUP_MA='AllBeams'),
INFO=2
)
# 保存结果
IMPR_RESU(
FORMAT='MED',
RESULTAT=RESU,
FICHIER='cylinder_results'
)3.5 运行仿真
将上述输入文件保存为cylinder_aster.py，然后使用Code_Aster运行仿真：
as_run --all cylinder_aster.py3.6 结果分析
运行完成后，结果将保存在cylinder_results.med文件中。我们可以在Salome中打开该文件，查看圆柱体的温度分布和应力分布。
打开Salome。
选择File > Open，打开cylinder_results.med文件。
选择Study > New Mesh, 选择cylinder_results中的网格。
选择Mesh > Show，查看网格。
选择Result > Show, 选择cylinder_results中的结果，查看温度分布和应力分布。
3.7 讨论
通过这个案例，我们可以看到热-力耦合分析在Code_Aster中的实现方式。热分析和力分析的结合不仅能够仿真温度场的变化，还能计算由于温度变化引起的应力分布。这对于许多工程问题，如热处理、热应力分析等，具有重要意义。
3.7.1 温度分布
在Salome中查看温度分布时，可以观察到圆柱体侧面的温度变化。由于热源的作用，侧面的温度会逐渐升高，而内部的温度会相对较低。
3.7.2 应力分布
在Salome中查看应力分布时，可以观察到由于温度变化和轴向载荷的共同作用，圆柱体内部的应力分布情况。特别是接触面和固定端的应力集中情况，可以帮助我们评估圆柱体的结构安全性。
3.8 进一步扩展
这个案例可以进一步扩展，例如：
时间依赖分析 ：考虑热源随时间变化的情况，进行瞬态热-力耦合分析。
多材料分析 ：考虑圆柱体由不同材料组成，分析不同材料之间的热-力耦合效应。
更复杂的几何模型 ：考虑更复杂的几何形状，如带有孔洞的圆柱体，分析孔洞对温度和应力分布的影响。
通过这些扩展，读者可以更深入地了解Code_Aster在处理复杂工程问题时的能力和灵活性。
总结
通过上述三个案例，我们详细介绍了如何使用Code_Aster进行材料力学仿真，包括线性弹性分析、非线性接触分析和热-力耦合分析。每个案例都涵盖了从几何建模到网格划分、材料属性定义、边界条件设置、求解设置以及结果分析的完整过程。希望这些案例能够帮助读者更好地理解和掌握Code_Aster的使用方法和技巧，为实际工程问题的仿真提供有力支持。