【轉載】ABAQUS學習和開發淺談

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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、通過二次開發后進行數值分析模擬的文章。

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構非線性有限元分析表現尚可。令人鼓舞的是,我們還可以在ABAQUS的基礎上進行二次開發以獲得更符合實際的數值模擬結果,如基于桿系單元(B31、B32等)開發較精細的混凝土單軸滯回本構模型,針對shear-critical構件開發合適的彎剪耦合RC單元,深入探究梁柱節點非線性行為開發合適的宏觀節點單元等等。更具魅力的是,我們還可以開發各種處于發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)經常復習張量理論和連續介質力學。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使用張量對連續體進行客觀描述也只不過是連續體FEA的題中應有之義,而熟悉連續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驗。

(3)以ABA幫助文件的例子為發軔,盡快動手編寫ABAQUS的用戶自定義子程序(UMAT、UEL等)。譬如在梁單元或實體單元的基礎上開發簡單的1維或多維理想彈塑性本構(UMAT),又譬如可嘗試開發很實用的點-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要領。在反復調試和驗證的過程中,品嘗開發成功的愉悅(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,多了解一些別的數值計算方法(如離散元、無網格法、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。非線性分析的本質不過是對瞬息萬變的復雜自然現象的一種人為逼近。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 " 非線性連續介質力學基礎 (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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