ABAQUS有限元软件在静力学教学中的应用

王传勇 杨大兴 王文 卢科青

杭州电子科技大学机械工程学院 浙江杭州 310018

一、概述

(一)静力学的介绍

理论力学是大学力学体系中的一门重要基础课程，是材料力学等其他力学的基础，它是机械工程、土木工程以及航空航天等理工科专业的一门重要基础课程，是相关专业学生从理论迈向实践的基础。理论力学最基本核心是力学的基本理论和一般方法，它是其他力学课程学习的基础和纽带[1]。

静力学是理论力学的一个重要基础知识点，理论力学教材的编排顺序大都是按照“静力学—运动学—动力学”的顺序。在静力学中，部分内容与高中物理课程内容重叠，很多学生在学习该部分内容的时候，仍然使用高中时候旧的思维方式和旧的方法来解决问题[2]。理论力学知识点的编排顺序是按照由易到难进行编排的，体现了静力学作为理论力学重要基础分支的特点，但这也造成了如果不能熟练掌握静力学，则会对学习后续力学知识产生很大影响。

静力学主要研究的是物体的受力分析、力系的简化和受力平衡分析，所学知识点比较抽象，难以实际感受物体受力后变形程度大小和物体的实际力作用点等信息。因此需要学习者有较强的想象能力，和将物体受力情况进行抽象分析和计算的能力。

(二)ABAQUS做仿真的优势

随着计算机技术的发展，现代仿真软件迅速兴起，仿真分析在工程实践中占据着越来越重要的地位。通过仿真软件模拟真实的材料属性和工作条件，计算得出最可能的结果，为实际生产提供重要的参考依据。

应用ABAQUS有限元仿真软件对静力学问题进行仿真教学，可以增大信息量，突破重难点，引导学生从接近实际工程的角度，直观地观察和思考静力学的相关分析方法，锻炼学生的思维方式和能力。

本文通过结合ABAQUS有限元仿真软件和静力学知识点，把数值仿真引入静力学课程的学习过程，通过软件对静力学问题进行仿真模拟，实现静力学问题的具象化，辅助学生对静力学课程的学习，加深印象和感官体验，帮助学生熟练掌握静力学的相关知识要点。

二、ABAQUS在静力学中的应用简介

(一)ABAQUS软件介绍

ABAQUS软件是由法国达索SIMULIA公司开发的一款功能强大的数值仿真软件，可对复杂的结构系统进行力学和运动分析，尤其是可以处理复杂庞大问题及非线性问题[3]。

ABAQUS具有许多的单元库，能够实现对任意几何形状的模拟，其本身具有的丰富材料模型库，可以模拟大部分的工程材料的性能，包括各种金属、塑料橡胶、各种复合材料、钢筋混凝土以及土壤岩石等各种地质材料，使用者还可以根据自己需求，添加新材料参数，补充材料库中没有的材料参数，模拟新材料的实际工程应用。

ABAQUS除了能对单一零件的力学和多物理场进行分析，还可以完成系统级的分析研究，能够模拟其他工程领域的很多问题，例如，热传导、质量扩散、热点耦合分析、声学分析、岩土力学分析、设计灵敏度分析及压电介质分析等。由于其强大的分析能力和复杂系统的模拟可靠性，Abaqus在各国的工业和研究中得到广泛的应用，在众多的高科技产品研发过程中，都发挥着巨大的作用[4]。

(二)ABAQUS基本分析步骤

1.创建模型

应用Part模块的功能，通过扫略、拉伸和旋转等基础操作，建立简单的有限元分析基本模型。当模型较为复杂时，可先在其他三维建模软件(例如SolidWorks)建立模型，而后通过三维建模软件和ABAQUS的连接插件，把建立好的模型导入ABAQUS。同时，在创建模型的过程中，也可对建立的模型进行分块操作，便于后续的网格划分和作用力加载等操作。

2.设置材料和截面属性

应用Property模块的功能，定义材料本构关系，创建截面属性，并将截面属性赋予部件。除了设置常用的材料相关属性参数，也可添加新材料的相关属性参数，对新材料的相关性能进行实际的工程仿真模拟，以验证其在应用场景中的性能。

3.定义装配件

第一步创建的模型部件，各部分之间是相互独立的，应用Assembly模块的功能，对模型部件进行组装，使其成为一个装配件，该装配件是后续数值仿真操作的基础。即使部件只有一个，也需要通过此操作将部件创建为一个实体，该实体也即是装配体。

4.设置分析步和输出要求

在Step模块，通过创建新的分析步，设置相关参数，设置与仿真分析需求相对应的分析步，模拟计算时的加载顺序、载荷选项以及输出要求等。在这部分，还可以设置增量步的大小，将分析步中的总载荷分解成更小的增量步。当涉及复杂问题时，可以适当减小增量步，使其每个增量步能够更快地达到收敛，进而得到该分析步下的收敛解。

ABAQUS在仿真模拟计算过程中，会产生大量的输出数据，输出数据越多，占用的磁盘空间越大，因此可以根据仿真需求，选择自己需要的输出数据，限制不需要的输出数据。

5.施加载荷和边界

在Load模块，根据实际需求，设置相应载荷、边界条件和场。根据实际需求，既可以添加力作用等普通载荷，也可以添加温度、电磁场等作用载荷。对于每一个载荷，都需要指定相应的分析步。设置的初始分析步边界条件，必须处于静止状态。

6.定义相互作用

在Interaction模块，可以根据实际场景，设置模型各部件之间的相互作用关系，如接触关系、力和热相互作用等。相互作用从选择的分析步开始起作用，若需要在后续取消相互作用，则需要设置取消激活。

7.划分网格并提交分析

在Mesh模块，可以根据需求，选择适当的网格类型、形状、位置和种子数量，对装配件的各部件进行有限元网格划分。网格密度越高，计算结果就越精确，但是所需要的计算时间也会大量增加。通过选择合适的网格划分，可以实现计算结果和计算时间之间的相对平衡。划分网格之后，即可通过inp文件或者模型进行作业提交，开始仿真分析计算。计算时，可以通过监视器监控分析过程，查看计算状态和模型信息。当出现计算报错时，也可通过监视器查看错误信息并对模型进行相应的改进。

8.后处理

计算完成之后，可以通过后处理模块，使计算结果通过XY图表、动画、云图等方式，显示仿真结果。

三、实例分析

熟练掌握静力学相关理论知识，是为了便于后续其他力学知识的学习和扩展，为力学知识的相关学习打下坚实基础。在熟悉ABAQUS的相关仿真方法步骤之后，可以通过实际的案例分析，将书本上的知识和案例结合，加深静力学的相关知识掌握，验证所学的相关知识。本文通过六角扳手拧螺丝的相关仿真，对六角扳手在拧螺丝的过程中，所产生的形变和应力进行实例分析，辅助掌握反作用力和应力应变等知识点。

六角扳手模型如图1所示，其长脚为104mm，短脚为40mm，材料为低碳钢，杨氏模量为2.1E5MPa，泊松比为0.3，短脚端面固定，在长脚端面施加作用力为600N，方向沿Z轴正方向。

图1 六角扳手模型

短脚端面中心点为参考点RP-1，长脚端面中心点为参考点RP-2。对RP-1点进行反作用力和反作用力矩分析。通过分析其应力云图(如图2所示)和应变云图(如图3所示)，分析结果表明：RP-1点处，应力值最大，RP-2处，应变值最大。在RP-1点处的反作用力(如图4所示)，在Z轴方向上为-600N，在XY方向上基本为0，与理论结果相符合。在该点处的反作用力矩(如图5所示)，也符合理论计算结果。

图2 应力云图

图3 位移云图

图4 参考点RP-1在X-Y-Z方向的反作用力

图5 参考点RP-1在X-Y-Z方向的反作用力矩

结语

静力学知识相较于其他力学课程，虽然简单易懂，但对于刚开始接触力学相关知识的学生，知识内容比较抽象。通过ABAQUS有限元软件仿真模拟，把抽象的理论知识，用曲线、云图、动画等方式展示出来，能够很好地帮助学生理解和掌握静力学相关知识概念，为以后学习其他的力学知识，积累更多的分析经验，扩展分析问题的思维方式和角度。同时，将仿真工具引入静力学学课堂教学，也可以使学生在掌握静力学课程知识的同时提高应用计算机仿真工具的能力，增强学生解决问题的能力和在社会上的竞争力。