材料力学仿真软件：ABAQUS_（12）.动力学分析
动力学分析
动力学分析是材料力学仿真中非常重要的一部分，特别是在涉及高速碰撞、冲击和振动等动态载荷的情况下。ABAQUS 提供了强大的工具来模拟这些动态过程，帮助工程师和研究人员理解材料在动态载荷下的行为。本节将详细介绍如何在 ABAQUS 中进行动力学分析，包括显式和隐式动力学分析方法、关键参数设置、以及一些实际应用的例子。
显式动力学分析
显式动力学分析适用于模拟瞬态动力学问题，特别是在涉及高应变率和复杂接触问题时。ABAQUS/Explicit 是 ABAQUS 中专门用于显式动力学分析的模块。它采用显式时间积分方法，可以在较短的时间内处理大变形和高应变率的问题。
1. 创建显式动力学分析模型
在 ABAQUS/CAE 中创建显式动力学分析模型的基本步骤如下：
创建部件 ：定义几何形状、材料属性和截面属性。
创建装配 ：将部件添加到装配中，定义部件之间的相对位置。
创建步骤 ：选择显式动力学分析类型（Explicit），定义时间步长和总时间。
施加载荷和约束 ：定义初始条件、边界条件、载荷和接触条件。
创建网格 ：生成高质量的网格，以确保仿真结果的准确性。
提交分析 ：保存模型，生成输入文件，提交分析任务。
2. 关键参数设置
在进行显式动力学分析时，有几个关键参数需要特别注意：
时间步长 ：显式动力学分析中，时间步长的选择非常重要。时间步长过大会导致数值不稳定，过小会增加计算时间。ABAQUS/Explicit 提供了自动时间步长控制功能，但有时需要手动调整。
材料模型 ：选择合适的材料模型，如弹性模型、塑性模型、粘塑性模型等，以准确描述材料在高应变率下的行为。
接触定义 ：定义接触对和接触属性，确保模型在接触区域的正确行为。
输出设置 ：设置输出变量，如位移、应力、应变等，以监控仿真结果。
3. 实例：高速碰撞分析
假设我们需要模拟一个高速碰撞问题，具体场景是一个钢制圆柱体以高速撞击一个混凝土障碍物。我们将使用 ABAQUS/Explicit 来进行仿真。
3.1 模型创建
创建部件 ：
圆柱体 ：直径 0.1m，高度 0.2m。
混凝土障碍物 ：长 0.5m，宽 0.5m，高 0.1m。
创建装配 ：
* 将圆柱体放置在混凝土障碍物上方，初始高度为 0.1m。创建步骤 ：
选择 Explicit 动力学分析。
设置总时间 0.05s，自动时间步长控制。
施加载荷和约束 ：
圆柱体 ：初始速度 100m/s，沿 z 方向。
混凝土障碍物 ：固定在地面上。
创建网格 ：
* 对圆柱体和混凝土障碍物生成高质量的网格。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。3.2 输入文件示例
# ABAQUS/Explicit 输入文件示例
*Explicit
*Step, name=Collision, nlgeom=YES, inc=1000
*Dynamic, Explicit
0.05, 1.0e-6, 1.0e-6, 1.0e-6
*Initial Conditions, type=velocity, region=Part-1-1.Set-1
100., 0., 0., 0.
*Boundary, type=displacement, region=Part-2-1.Set-1
0., 0., 0., 0., 0., 0.
*Contact, type=SURFACE-TO-SURFACE, interaction=Int-1
Part-1-1.Surf-1, Part-2-1.Surf-1
*Surface, type=ELEMENT, name=Surf-1
Part-1-1, S1
*Surface, type=ELEMENT, name=Surf-1
Part-2-1, S1
*Material, name=Steel
*Elastic
210000., 0.3
*Plastic
0.001, 200000.
*Material, name=Concrete
*Elastic
30000., 0.17
*Plastic
0.001, 35000.
*Instance, name=Part-1-1, part=Part-1
*Instance, name=Part-2-1, part=Part-2
*Mesh, part=Part-1
*Element, type=C3D8R
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
*Mesh, part=Part-2
*Element, type=C3D8R
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
*Node
1, 0.0, 0.0, 0.0
2, 0.1, 0.0, 0.0
3, 0.1, 0.1, 0.0
4, 0.0, 0.1, 0.0
5, 0.0, 0.0, 0.2
6, 0.1, 0.0, 0.2
7, 0.1, 0.1, 0.2
8, 0.0, 0.1, 0.2
*Node
1, 0.0, 0.0, 0.0
2, 0.5, 0.0, 0.0
3, 0.5, 0.5, 0.0
4, 0.0, 0.5, 0.0
5, 0.0, 0.0, 0.1
6, 0.5, 0.0, 0.1
7, 0.5, 0.5, 0.1
8, 0.0, 0.5, 0.1
*End Step
4. 隐式动力学分析
隐式动力学分析适用于模拟低应变率和静态问题。ABAQUS/Standard 是 ABAQUS 中用于隐式动力学分析的模块。它采用隐式时间积分方法，可以在较大的时间步长下获得稳定的结果。
4.1 创建隐式动力学分析模型
创建部件 ：定义几何形状、材料属性和截面属性。
创建装配 ：将部件添加到装配中，定义部件之间的相对位置。
创建步骤 ：选择隐式动力学分析类型（Standard），定义时间步长和总时间。
施加载荷和约束 ：定义初始条件、边界条件、载荷和接触条件。
创建网格 ：生成高质量的网格，以确保仿真结果的准确性。
提交分析 ：保存模型，生成输入文件，提交分析任务。
4.2 关键参数设置
在进行隐式动力学分析时，几个关键参数需要特别注意：
时间步长 ：隐式动力学分析中，时间步长的选择相对宽松，通常可以选择较大的时间步长。
材料模型 ：选择合适的材料模型，如弹性模型、塑性模型等，以准确描述材料在静态或低应变率下的行为。
接触定义 ：定义接触对和接触属性，确保模型在接触区域的正确行为。
输出设置 ：设置输出变量，如位移、应力、应变等，以监控仿真结果。
4.3 实例：振动分析
假设我们需要模拟一个简支梁在受到初始位移后的振动行为。我们将使用 ABAQUS/Standard 来进行仿真。
4.3.1 模型创建
创建部件 ：
* **简支梁** ：长度 1m，截面尺寸 0.1m x 0.1m。创建装配 ：
* 将简支梁放置在 x 轴上，两端固定。创建步骤 ：
选择隐式动力学分析。
设置总时间 2s，时间步长 0.01s。
施加载荷和约束 ：
简支梁 ：初始位移 0.01m，沿 y 方向。
固定约束 ：两端固定在地面上。
创建网格 ：
* 对简支梁生成高质量的网格。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。4.3.2 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Heading
** Job name: Vibration
** Created by: ABAQUS/CAE
*Preprint, echo=NO, model=NO, history=NO, contact=NO
*Part, name=Beam
*Shell, section=, material=Steel
1, 2, 3, 4
*Node
1, 0.0, 0.0, 0.0
2, 1.0, 0.0, 0.0
3, 1.0, 0.1, 0.0
4, 0.0, 0.1, 0.0
*Element, type=S4R
1, 1, 2, 3, 4
*Material, name=Steel
*Elastic
210000., 0.3
*Step, name=Vibration, nlgeom=YES, inc=200
*Dynamic, Implicit
2.0, 0.01
*Initial Conditions, type=displacement, region=Part-1.Set-1
0., 0.01, 0.
*Boundary, type=displacement, region=Part-1.Set-2
0., 0., 0.
*Boundary, type=displacement, region=Part-1.Set-3
0., 0., 0.
*End Step
5. 动力学分析中的接触问题
在动力学分析中，接触问题是非常常见的。ABAQUS 提供了多种接触定义方法，包括表面-表面接触、节点-表面接触等。正确的接触定义可以确保模型在接触区域的准确行为。
5.1 表面-表面接触
表面-表面接触是最常用的接触定义方法。通过定义两个接触面之间的相互作用，可以模拟复杂的接触行为。
5.1.1 输入文件示例
# ABAQUS/Explicit 输入文件示例
*Explicit
*Step, name=Collision, nlgeom=YES, inc=1000
*Dynamic, Explicit
0.05, 1.0e-6, 1.0e-6, 1.0e-6
*Contact, type=SURFACE-TO-SURFACE, interaction=Int-1
Part-1-1.Surf-1, Part-2-1.Surf-1
*Surface, type=ELEMENT, name=Surf-1
Part-1-1, S1
*Surface, type=ELEMENT, name=Surf-1
Part-2-1, S1
*Material, name=Steel
*Elastic
210000., 0.3
*Plastic
0.001, 200000.
*Material, name=Concrete
*Elastic
30000., 0.17
*Plastic
0.001, 35000.
*Instance, name=Part-1-1, part=Part-1
*Instance, name=Part-2-1, part=Part-2
*Mesh, part=Part-1
*Element, type=C3D8R
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
*Mesh, part=Part-2
*Element, type=C3D8R
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
*Node
1, 0.0, 0.0, 0.0
2, 0.1, 0.0, 0.0
3, 0.1, 0.1, 0.0
4, 0.0, 0.1, 0.0
5, 0.0, 0.0, 0.2
6, 0.1, 0.0, 0.2
7, 0.1, 0.1, 0.2
8, 0.0, 0.1, 0.2
*Node
1, 0.0, 0.0, 0.0
2, 0.5, 0.0, 0.0
3, 0.5, 0.5, 0.0
4, 0.0, 0.5, 0.0
5, 0.0, 0.0, 0.1
6, 0.5, 0.0, 0.1
7, 0.5, 0.5, 0.1
8, 0.0, 0.5, 0.1
*End Step
6. 动力学分析中的材料模型
选择合适的材料模型对于动力学分析的准确性至关重要。ABAQUS 提供了多种材料模型，包括弹性模型、塑性模型、粘塑性模型等。根据具体问题选择合适的材料模型可以更好地模拟材料的真实行为。
6.1 弹性模型
弹性模型是最简单的材料模型，适用于模拟材料在弹性范围内的行为。ABAQUS 中的弹性模型可以通过 *Elastic 关键字来定义。
6.1.1 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Material, name=Steel
*Elastic
210000., 0.3
6.2 塑性模型
塑性模型适用于模拟材料在塑性范围内的行为。ABAQUS 中的塑性模型可以通过 *Plastic 关键字来定义。
6.2.1 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Material, name=Steel
*Elastic
210000., 0.3
*Plastic
0.001, 200000.
7. 动力学分析中的输出设置
输出设置是动力学分析中的重要步骤，通过设置合适的输出变量可以更好地监控和分析仿真结果。ABAQUS 提供了多种输出变量，包括位移、应力、应变等。
7.1 位移输出
位移输出用于监控模型中各节点的位移变化。通过设置 *Output, field 关键字可以输出位移数据。
7.1.1 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Output, field, frequency=10
*Node Output
U
7.2 应力输出
应力输出用于监控模型中各单元的应力变化。通过设置 *Output, field 关键字可以输出应力数据。
7.2.1 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Output, field, frequency=10
*Element Output, directions=YES
S
7.3 应变输出
应变输出用于监控模型中各单元的应变变化。通过设置 *Output, field 关键字可以输出应变数据。
7.3.1 输入文件示例
# ABAQUS/Standard 输入文件示例
*Output, field, frequency=10
*Element Output, directions=YES
E
8. 动力学分析的后处理
后处理是动力学分析的重要环节，通过后处理可以更直观地观察和分析仿真结果。ABAQUS/Viewer 提供了强大的后处理功能，可以生成动画、图表和云图等。
8.1 生成动画
生成动画可以直观地展示模型在动态过程中的变化。通过选择适当的变量和时间步长，可以生成高质量的动画。动画不仅可以帮助工程师和研究人员理解模型的动态响应，还可以用于展示和报告分析结果。
8.1.1 操作步骤
打开 ABAQUS/Viewer ：
* 启动 ABAQUS/Viewer 软件。导入仿真结果文件 ：
* 选择“File”菜单，点击“Open”导入生成的 .odb 文件。选择“Animate”菜单 ：
* 在 Viewer 界面中，选择“Animate”菜单。选择要输出的变量 ：
* 例如，选择“Displacement”（位移）或“Stress”（应力）。设置动画参数 ：
在“Animation”对话框中，设置时间步长和帧率。通常，时间步长的选择应与仿真中的时间步长一致，以确保动画的连续性和准确性。
选择合适的动画类型，如“Forward”（向前播放）或“Backward”（向后播放）。
生成并保存动画 ：
* 点击“Apply”生成动画，并选择“File”菜单中的“Save Animation”保存动画文件。8.2 生成图表
生成图表可以更详细地分析特定节点或单元的仿真结果。通过选择适当的变量和时间范围，可以生成各种图表，如位移-时间图、应力-时间图等。图表可以帮助研究人员更深入地理解材料在不同时间点的行为。
8.2.1 操作步骤
打开 ABAQUS/Viewer ：
* 启动 ABAQUS/Viewer 软件。导入仿真结果文件 ：
* 选择“File”菜单，点击“Open”导入生成的 .odb 文件。选择“XY Data”菜单 ：
* 在 Viewer 界面中，选择“XY Data”菜单。选择要输出的变量和节点或单元 ：
* 例如，选择“Displacement”（位移）和特定节点，或选择“Stress”（应力）和特定单元。设置时间范围和输出频率 ：
* 在“XY Data”对话框中，设置时间范围和输出频率。时间范围应覆盖仿真过程的全部或部分阶段，输出频率取决于所需的详细程度。生成并保存图表 ：
* 点击“Create”生成图表，并选择“File”菜单中的“Save XY Data”保存图表文件。8.3 生成云图
生成云图可以直观地展示模型中各变量的分布情况。通过选择适当的变量和时间步长，可以生成高质量的云图。云图可以帮助工程师和研究人员了解模型在不同时间点上的位移、应力和应变分布情况。
8.3.1 操作步骤
打开 ABAQUS/Viewer ：
* 启动 ABAQUS/Viewer 软件。导入仿真结果文件 ：
* 选择“File”菜单，点击“Open”导入生成的 .odb 文件。选择“Contours”菜单 ：
* 在 Viewer 界面中，选择“Contours”菜单。选择要输出的变量 ：
* 例如，选择“Stress”（应力）或“Strain”（应变）。设置云图参数 ：
* 在“Contours”对话框中，设置颜色范围和网格密度。颜色范围可以选择线性或对数刻度，网格密度可以根据需要调整，以确保云图的清晰度和准确性。生成并保存云图 ：
* 点击“Apply”生成云图，并选择“File”菜单中的“Save Image”保存云图文件。9. 动力学分析的优化技巧
在进行动力学分析时，优化仿真设置可以显著提高计算效率和结果准确性。以下是一些常用的优化技巧：
9.1 网格优化
高质量的网格是获得准确仿真结果的关键。对于复杂的几何形状，可以使用自适应网格技术来提高网格质量。自适应网格技术可以在高应变率区域自动细化网格，从而减少计算量并提高仿真精度。
9.1.1 操作步骤
创建部件 ：
* 定义几何形状、材料属性和截面属性。创建装配 ：
* 将部件添加到装配中，定义部件之间的相对位置。创建步骤 ：
* 选择显式或隐式动力学分析类型，定义时间步长和总时间。施加载荷和约束 ：
* 定义初始条件、边界条件、载荷和接触条件。创建网格 ：
生成初始网格。
在“Mesh”模块中，选择“Adaptive”菜单，设置自适应网格参数，如细化标准和最大细化层数。
提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。9.2 时间步长优化
时间步长的选择对显式动力学分析尤为重要。过大的时间步长可能导致数值不稳定，而过小的时间步长会增加计算时间。ABAQUS/Explicit 提供了自动时间步长控制功能，但仍需要根据具体问题进行手动调整。
9.2.1 操作步骤
创建步骤 ：
* 选择显式动力学分析类型，定义总时间。设置时间步长 ：
在“Step”模块中，选择“Time”菜单，设置初始时间步长、最大时间步长和最小时间步长。
选择“Automatic Time Stepping”菜单，设置时间步长控制参数，如稳定性因子和误差容限。
提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。9.3 材料模型优化
选择合适的材料模型可以显著提高仿真结果的准确性。对于复杂的材料行为，可以使用多参数材料模型，如粘塑性模型或损伤模型。正确的材料参数设置对于仿真结果尤为重要。
9.3.1 操作步骤
创建部件 ：
* 定义几何形状、材料属性和截面属性。选择材料模型 ：
在“Property”模块中，选择合适的材料模型，如“Elastic”（弹性模型）、“Plastic”（塑性模型）或“Viscoelastic”（粘弹性模型）。
输入材料参数，如弹性模量、泊松比、屈服强度等。
创建装配 ：
* 将部件添加到装配中，定义部件之间的相对位置。创建步骤 ：
* 选择显式或隐式动力学分析类型，定义时间步长和总时间。施加载荷和约束 ：
* 定义初始条件、边界条件、载荷和接触条件。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。10. 动力学分析的应用案例
动力学分析在多个工程领域中有着广泛的应用，包括汽车碰撞、航空航天、土木工程等。以下是一些具体的应用案例：
10.1 汽车碰撞分析
汽车碰撞分析是动力学分析的一个经典应用。通过模拟汽车在不同速度下的碰撞过程，可以评估汽车结构的安全性和耐撞性。
10.1.1 模型创建
创建部件 ：
* 定义汽车和障碍物的几何形状、材料属性和截面属性。创建装配 ：
* 将汽车和障碍物放置在适当的位置，定义相对位置和接触条件。创建步骤 ：
* 选择显式动力学分析类型，设置总时间和时间步长。施加载荷和约束 ：
定义汽车的初始速度和方向。
定义障碍物的固定约束。
创建网格 ：
* 生成高质量的网格，确保仿真结果的准确性。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。10.2 航空航天结构分析
航空航天结构在高速飞行和着陆过程中会受到复杂的动态载荷。通过动力学分析可以评估结构的稳定性和安全性。
10.2.1 模型创建
创建部件 ：
* 定义飞机结构和地面障碍物的几何形状、材料属性和截面属性。创建装配 ：
* 将飞机结构和地面障碍物放置在适当的位置，定义相对位置和接触条件。创建步骤 ：
* 选择显式动力学分析类型，设置总时间和时间步长。施加载荷和约束 ：
定义飞机的初始速度和方向。
定义地面障碍物的固定约束。
创建网格 ：
* 生成高质量的网格，确保仿真结果的准确性。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。10.3 土木工程结构分析
土木工程中的桥梁、建筑物等结构在地震等自然灾害中会受到动态载荷。通过动力学分析可以评估结构的抗震性能。
10.3.1 模型创建
创建部件 ：
* 定义桥梁或建筑物的几何形状、材料属性和截面属性。创建装配 ：
* 将桥梁或建筑物放置在适当的位置，定义相对位置和接触条件。创建步骤 ：
* 选择隐式动力学分析类型，设置总时间和时间步长。施加载荷和约束 ：
定义地震波的输入载荷。
定义地面的固定约束。
创建网格 ：
* 生成高质量的网格，确保仿真结果的准确性。提交分析 ：
* 保存模型，生成输入文件，提交分析任务。11. 结论
动力学分析是材料力学仿真中不可或缺的一部分，特别是在涉及高速碰撞、冲击和振动等动态载荷的情况下。ABAQUS 提供了显式和隐式动力学分析模块，帮助工程师和研究人员准确模拟材料在动态载荷下的行为。通过合理的模型创建、参数设置和后处理，可以有效地提高分析结果的准确性和可靠性。
通过本节的学习，读者应当能够掌握如何在 ABAQUS 中进行显式和隐式动力学分析，并能够在实际工程中应用这些方法来解决复杂的问题。希望这些内容对您的研究和工作有所帮助。
以上是动力学分析的详细内容，希望对您的学习和应用有所帮助。如果有任何问题或需要进一步的帮助，请随时联系。