CAE分析大系——ABAQUS有限元分析從入門到精通（第2版）

劉展

博士，教授，四川大學健康工程團隊帶頭人，宜賓四川大學產業技術研究院健康工程工作站主任，
哈佛醫學院/麻省總醫院骨科部顧問和研究員，四川省海外高層次留學人才，創業領軍人才。
使用ABAQUS進行了10餘年的科研和研發工作，主持包括國際自然科學基金在內的縱向/橫向項目20餘項，
發表相關科研論文100餘篇，擔任國內外多個學術組織（副主任）委員、國內外多本雜誌的（常務）編委和審稿專家；
主編和參與編寫著作9本，包括主編《ABAQUS 6.6基礎教程與實例詳解》《ABAQUS有限元分析從入門到精通》。

錢英莉

博士，成都飛機設計研究所高級工程師。
從事生物力學研究和固體力學方面的有限元分析工作，發表相關科研論文30餘篇，參與編寫著作3本，
具有紮實的理論基礎和解決複雜工程問題的豐富實踐經驗。

目錄
第1篇 ABAQUS模塊介紹
第1章 ABAQUS軟件介紹 2
1.1 ABAQUS簡介 2
1.2 ABAQUS的主要模塊及功能 2
1.3 ABAQUS 2018的新功能 4
1.3.1 材料屬性和單元類型的增強功能 4
1.3.2 接觸的增強功能 4
1.3.3 線性動態的增強功能 5
1.3.4 建模和可視化的增強功能 5
1.3.5 其他增強功能 5
1.4 ABAQUS的文件系統 5
1.5 ABAQUS的基本操作 6
1.5.1 ABAQUS/CAE的啟動 7
1.5.2 ABAQUS/CAE的用戶界面 7
1.5.3 ABAQUS中鼠標的使用 9
1.5.4 ABAQUS的坐標系 9
1.5.5 ABAQUS對自由度的約定 9

第2章 幾何建模 10
2.1 部件模塊（Part）和草圖模塊（Sketch） 10
2.1.1 創建右支座部件 10
2.1.2 創建鉸鏈部件 13
2.1.3 部件的導入與修復 14
2.2 裝配模塊（Assembly） 14
2.2.1 複製部件實體 15
2.2.2 創建裝配件 16
2.2.3 裝配件內各部件實體的定位 17
2.2.4 合併/剪切部件實體 19
2.3 特性模塊（Property） 21
2.3.1 定義材料屬性 21
2.3.2 創建並賦予截面特性 24
2.3.3 Special菜單 24

第3章 網格劃分 27
3.1 網格劃分技術 27
3.1.1 自由劃分網格劃分技術 27
3.1.2 掃掠網格劃分技術 28
3.1.3 結構化網格劃分技術 30
3.1.4 網格劃分技術小結 31
3.2 單元類型 32
3.2.1 單元庫 32
3.2.2 幾何階次 32
3.2.3 單元族 33
3.2.4 單元控制 33
3.3 佈置種子 34
3.3.1 佈置全局種子 34
3.3.2 佈置局部種子 35
3.4 劃分網格 36
3.4.1 採用自由劃分網格劃分技術劃分四面體網格 36
3.4.2 採用掃掠網格劃分技術劃分六面體網格 36
3.4.3 採用結構化網格劃分技術劃分六面體網格 37
3.4.4 劃分區域網格 37
3.5 檢查網格質量 37
3.6 網格優化 38
3.6.1 選擇合適的網格劃分參數 38
3.6.2 編輯幾何模型 39
3.6.3 編輯網格模型 39
3.7 自適應網格劃分 40
3.7.1 問題描述 41
3.7.2 模型的建立與分析 41
3.7.3 自適應計算過程的INP文件說明 45

第4章 分析步、相互作用、載荷與邊界條件 47
4.1 概述 47
4.1.1 分析步模塊（Step） 47
4.1.2 相互作用模塊（Interaction） 49
4.1.3 載荷模塊（Load） 50
4.2 混凝土板的配筋 51
4.2.1 創建分析步 51
4.2.2 設置約束條件 52
4.2.3 設置載荷和邊界條件 52
4.3 砲彈穿甲 53
4.3.1 創建分析步並定義輸出 54
4.3.2 創建接觸和剛體約束 55
4.3.3 創建邊界條件和速度場 56
4.4 連接器 57
4.4.1 創建分析步 57
4.4.2 創建連接器和約束 59
4.4.3 創建邊界條件 60

第5章 分析與後處理 62
5.1 分析作業模塊（Job） 62
5.1.1 創建與管理分析作業 62
5.1.2 網格自適應過程 64
5.1.3 耦合分析作業 65
5.1.4 優化作業 65
5.2 可視化模塊（Visualization） 66
5.2.1 無變形圖與變形圖的顯示 66
5.2.2 雲圖顯示 67
5.2.3 矢量/張量符號圖顯示 69
5.2.4 材料方向圖顯示 69
5.2.5 數據圖表的顯示及輸出 69
5.2.6 ABAQUS後處理的二次開發 73

第6章 優化 76
6.1 問題描述 76
6.2 創建幾何部件 77
6.3 網格劃分和生成有限元部件模型 79
6.4 定義材料屬性 80
6.5 裝配部件 81
6.6 創建分析步 81
6.7 創建參考點及連接關係 82
6.8 創建載荷和邊界條件 83
6.9 優化設置 84
6.10 提交分析作業及後處理 88

*2篇 ABAQUS應用實例

第7章 接觸分析 92
7.1 螺栓過盈裝配 92
7.1.1 問題描述 92
7.1.2 創建幾何部件 92
7.1.3 定義材料屬性 94
7.1.4 裝配部件 95
7.1.5 網格劃分 95
7.1.6 創建分析步 97
7.1.7 定義相互作用 97
7.1.8 創建載荷和邊界條件 99
7.1.9 提交分析作業 100
7.1.10 結果後處理 101
7.1.11 INP文件解讀 102
7.2 多齒輪的嚙合 104
7.2.1 問題描述 104
7.2.2 CATIA創建齒輪模型 104
7.2.3 HyperMesh劃分網格 104
7.2.4 在ABAQUS中導入模型 108
7.2.5 設置材料屬性 108
7.2.6 創建分析步 109
7.2.7 定義相互作用 109
7.2.8 創建載荷和邊界條件 110
7.2.9 提交分析作業 111
7.2.10 模型的INP文件 111
7.2.11 設置加速齒輪 113
7.2.12 結果後處理 113
7.3 髖關節的接觸分析 115
7.3.1 案例背景 115
7.3.2 問題描述 116
7.3.3 ABAQUS中生成體網格 116
7.3.4 Mimics中賦予單元的材料參數 116
7.3.5 模型的整合 117
7.3.6 定義接觸 118
7.3.7 設置分析步 120
7.3.8 定義載荷和邊界條件 121
7.3.9 提交分析作業 122
7.3.10 結果後處理 123
7.3.11 INP文件說明 125

第8章 材料力學特性分析 132
8.1 彈塑性分析 132
8.1.1 問題描述 132
8.1.2 創建部件 132
8.1.3 創建材料屬性 133
8.1.4 裝配部件 133
8.1.5 設置分析步 134
8.1.6 定義接觸 134
8.1.7 定義荷載和邊界條件 136
8.1.8 網格劃分 136
8.1.9 分析及後處理 137
8.1.10 彈塑性比較 140
8.1.11 INP文件及說明 140
8.2 超彈性材料 144
8.2.1 問題描述 144
8.2.2 創建部件 145
8.2.3 設置材料屬性 146
8.2.4 定義裝配件 147
8.2.5 創建分析步 147
8.2.6 定義相互作用 148
8.2.7 定義載荷和邊界條件 149
8.2.8 網格劃分 150
8.2.9 提交作業 151
8.2.10 後處理 151
8.2.11 模型的INP文件 153
8.2.12 Uhyper子程序 155
8.3 複合材料平板穩定性計算 156
8.3.1 問題描述 157
8.3.2 創建幾何部件 157
8.3.3 網格劃分和生成有限元部件模型 158
8.3.4 定義復合材料屬性和鋪層查詢 159
8.3.5 裝配部件 161
8.3.6 創建分析步 161
8.3.7 創建載荷和邊界條件 162
8.3.8 提交分析作業 163
8.3.9 結果後處理 163
8.3.10 屈曲載荷計算 165
8.3.11 INP文件說明 167
8.4 用戶材料子程序UMAT 168
8.4.1 用戶材料子程序（UMAT） 169
8.4.2 在ABAQUS中使用子程序 170

第9章 動力學分析 174
9.1 結構動力學簡介 174
9.2 石拱橋的模態分析及動力響應 176
9.2.1 拱橋結構的模態分析 176
9.2.2 石拱橋的動力響應分析 181
9.2.3 INP文件解讀 188
9.3 板材沖壓成型分析 189
9.3.1 問題描述 190
9.3.2 創建模型部件 190
9.3.3 定義材料屬性 191
9.3.4 裝配部件 194
9.3.5 定義分析步 194
9.3.6 定義相互作用 194
9.3.7 定義邊界條件和載荷 195
9.3.8 劃分網格 195
9.3.9 分析及後處理 196
9.3.10 INP文件解讀 198
9.4 手機跌落分析 201
9.4.1 問題描述 202
9.4.2 創建部件 202
9.4.3 定義材料屬性 204
9.4.4 裝配部件 206
9.4.5 創建分析步並設置結果輸出 207
9.4.6 定義相互作用關係 208
9.4.7 創建載荷和邊界條件 210
9.4.8 網格劃分 210
9.4.9 提交分析作業及後處理 212
9.4.10 INP文件解讀 215

第10章 材料破壞分析 217
10.1 板的裂紋擴展 217
10.1.1 問題描述 217
10.1.2 創建部件 217
10.1.3 定義材料屬性 218
10.1.4 裝配部件 221
10.1.5 創建分析步並設置結果輸出 222
10.1.6 定義相互作用關係 223
10.1.7 創建荷載和邊界條件 224
10.1.8 網格劃分 226
10.1.9 提交分析作業 226
10.1.10 結果後處理 227
10.1.11 帶孔鋼闆對裂紋擴展的影響 228
10.1.12 INP文件解讀 230
10.2 切削分析 232
10.2.1 問題描述 232
10.2.2 創建部件 232
10.2.3 定義材料屬性 233
10.2.4 裝配部件 237
10.2.5 創建分析步並設置結果輸出 237
10.2.6 定義相互作用關係 239
10.2.7 創建荷載和邊界條件 240
10.2.8 網格劃分 241
10.2.9 提交分析作業 242
10.2.10 結果後處理 242
10.2.11 INP文件解讀 244
10.3 複合材料槽型元件粘接劑破壞仿真 246
10.3.1 前言 246
10.3.2 問題描述 247
10.3.3 創建幾何部件 248
10.3.4 網格劃分和生成有限元部件模型 251
10.3.5 定義復合材料屬性和鋪層查詢 254
10.3.6 裝配部件 257
10.3.7 創建分析步 257
10.3.8 創建載荷和邊界條件 258
10.3.9 提交分析作業 258
10.3.10 結果後處理 259
10.3.11 INP文件說明 261

11章 耦合分析 264
11.1 熱電耦合分析 264
11.1.1 問題描述 264
11.1.2 創建部件 264
11.1.3 網格劃分 265
11.1.4 定義材料屬性 267
11.1.5 裝配部件 268
11.1.6 創建分析步並設置結果輸出 268
11.1.7 定義相互作用關係 269
11.1.8 創建載荷和邊界條件 270
11.1.9 提交分析作業 272
11.1.10 結果後處理 272
11.1.11 INP文件解讀 273
11.2 熱固耦合分析 275
11.2.1 問題描述 275
11.2.2 創建部件 276
11.2.3 定義材料屬性 277
11.2.4 裝配部件 280
11.2.5 創建分析步並設置結果輸出 280
11.2.6 創建荷載、邊界條件及預定義場 281
11.2.7 網格劃分 284
11.2.8 提交分析作業 286
11.2.9 結果後處理 286
11.2.10 INP文件解讀 287

*12章 ABAQUS與ANSYS、MATLAB的聯合使用 290
12.1 ABAQUS與ANSYS的聯合使用 290
12.1.1 導入模型 290
12.1.2 查看模型 293
12.1.3 提交作業 295
12.1.4 後處理 295
12.1.5 INP文件說明 296
12.2 ABAQUS和MATLAB的聯合使用 297
12.2.1 網格節點的自動映射 297
12.2.2 分析步和載荷工況的自動分割 306
參考文獻 314