基于Abaqus的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究
基于Abaqus的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究,基于,abaqus,材料力學(xué),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),仿真,研究,鉆研
本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告論學(xué)文題目 : 基于 Abaqus 的材料力學(xué) 實(shí)驗(yàn)仿真研究 院 : 機(jī)械工程學(xué)院 年 1 月 1 日 填畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告要求開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié),又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化,特制定本要求。一、選題依據(jù)1. 論文(設(shè)計(jì))題目及研究領(lǐng)域;2. 論文(設(shè)計(jì))工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值;3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。二、論文(設(shè)計(jì))研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題;2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路);3. 本論文(設(shè)計(jì))預(yù)期取得的成果。三、論文(設(shè)計(jì))工作安排1. 擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù));2. 論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料,并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合,形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通順, 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。五、其他要求1. 開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))工作開始后的前四周內(nèi)完成;2. 開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院學(xué)習(xí)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過;3. 開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生,須重做或補(bǔ)做合格后,方能繼續(xù)論文(設(shè)計(jì))工作,否則不允許參加答辯;4. 開題報(bào)告通過后,原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師;5. 開題報(bào)告的內(nèi)容,要求打印并裝訂成冊(cè)(部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上,但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。一、選題依據(jù)1. 論文(設(shè)計(jì))題目基于 Abaqus 的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究2. 研究領(lǐng)域運(yùn)用 Abaqus 功能模擬軟件來分析復(fù)雜的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及分析。運(yùn)用到材料力學(xué)的知識(shí)以及一定的測(cè)試技術(shù)等。關(guān)于 Abaqus 軟件的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。3. 論文(設(shè)計(jì))工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值隨著高等教育學(xué)習(xí)改革的不斷深入,傳統(tǒng)的材料力學(xué)學(xué)習(xí)體系已暴露出許多不合理的地方,為了適應(yīng)形勢(shì),國(guó)內(nèi)許多工科院校都在材料力學(xué)課程體系、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法等方面開展了卓有成效的研究1。當(dāng)前,計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展給材料力學(xué)的發(fā)展和教育帶來了深刻影響。材料力學(xué)作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科,需要將實(shí)驗(yàn)分析和理論研究緊密結(jié)合。但是目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教與學(xué)的過程中普遍存在重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了力學(xué)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。大多數(shù)學(xué)校受實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)時(shí)壓縮等因素的制約,將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容進(jìn)行了很大部分的刪減,保留下來的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也大都是演示性實(shí)驗(yàn), 通常是七八個(gè)學(xué)生一組,共用一根試件進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等實(shí)驗(yàn),在此過程中大部分學(xué)生只是被動(dòng)地完成了實(shí)驗(yàn),而無法真正親自參與實(shí)驗(yàn)。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴,大都為破壞性實(shí)驗(yàn),需耗費(fèi)大量試件,因此不便于重復(fù)進(jìn)行。另外,還有很多力學(xué)過程并不能在實(shí)驗(yàn)室演示,如應(yīng)力集中現(xiàn)象、構(gòu)件組合變形、壓桿失穩(wěn)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值仿真軟件得到了空前的發(fā)展。特別是大型通用有限元軟件 ABAQUS,它是一套功能強(qiáng)大的工程仿真的有限元軟件,其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題2。ABAQUS 包括一個(gè)豐富、可仿真任意幾何形狀的單元庫(kù),擁有各種類型的材料模型庫(kù),可以仿真典型工程材料的性能。ABAQUS 應(yīng)用于材料力學(xué)學(xué)習(xí)中將抽象理論可視化對(duì)于工科學(xué)生來說,材料力學(xué)中的概念較多,并且一些概念比較抽象且容易混淆,如內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、變形、位移、應(yīng)力狀態(tài)等,初學(xué)者往往難以理解。同時(shí),在諸如梁的平面彎曲應(yīng)力及變形構(gòu)件的組合變形等許多章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中,需要推導(dǎo)相關(guān)的公式,涉及到復(fù)雜的幾何和數(shù)學(xué)知識(shí),包含了大量幾何要素和空間位置關(guān)系,如彎曲梁橫截面的應(yīng)力分布規(guī)律、平面彎曲梁的變形、圓軸彎扭組合變形時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律等2。對(duì)于這些內(nèi)容, 傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法單純通過教師口頭講解和板書繪圖,不僅浪費(fèi)時(shí)間而且不易于學(xué)生理解,導(dǎo)致學(xué)生普遍感到材料力學(xué)課程理論枯燥、難懂。而 ABAQUS 具有直觀形象的圖形顯示功能,可將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)的圖形。將原本抽象的力學(xué)理論和枯燥乏味的概念直觀化、形象化,通過圖形、動(dòng)畫等形式展現(xiàn)在學(xué)生面前,有助于提高學(xué)生的形象思維能力,幫助學(xué)生理解教材內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生分析結(jié)構(gòu)的能力3。4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)Abaqus 是一套功能強(qiáng)大的工程仿真的有限元軟件,其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題4。Abaqus 包括一個(gè)豐富的、可仿真任意幾何形狀的單元庫(kù)。并擁有各種類型的材料模型庫(kù),可以仿真典型工程材料的性能。Abaqus 目前秉承 SIMULIA 公司的戰(zhàn)略承諾,提供了高質(zhì)量的真實(shí)仿真解決方案,其中包括許多新功能以及超過 100 個(gè)基于客戶需求的改進(jìn)。他們使用 Abaqus 產(chǎn)品探究各種產(chǎn)品和材料的真實(shí)物理行為,以提高產(chǎn)品的性能、可靠性以及安全性,同時(shí)減少研發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。張廣泰實(shí)現(xiàn)了拉伸試驗(yàn)的電子測(cè)量與微機(jī)數(shù)據(jù)處理5,自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果等功能,將原來的液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)改造為相當(dāng)于先進(jìn)的電子試驗(yàn)機(jī),使得材力拉伸試驗(yàn)水平步人先進(jìn)行列,它具有較高的精度,測(cè)量低碳鋼材料的屈服極限等指標(biāo)相對(duì)誤差在 2%以內(nèi),因含部分彈性變形相對(duì)誤差為 10%左右,扣除彈性變形后誤差很小。通過應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、微機(jī)處理系統(tǒng)等數(shù)學(xué)瀏量手段,對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式液壓材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改造后的試驗(yàn)機(jī)的功能和精度達(dá)到了電子試驗(yàn)機(jī)的水平。采用陳舊的擺錘測(cè)力刻度盤顯示讀值和滾筒上繪制曲線等相對(duì)原始手段.就此問題提出改進(jìn)措施,采用微機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),大大提高了試測(cè)量精度和工作效率。付昌云,孫僮等人研究的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)不僅滿足了社會(huì)主流的實(shí)驗(yàn)機(jī)以拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)為主并且可以進(jìn)行拉力,扭轉(zhuǎn),沖擊實(shí)驗(yàn)的需求6 。并且解決了隨著新材料不斷應(yīng)用于實(shí)際工程,主要完成低碳鋼和鑄鐵軸向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)機(jī)器已經(jīng)無法滿足項(xiàng)目的需要??梢苑謩e確定彎曲部件和彎曲部件的材質(zhì)和尺寸,并確定極限載荷。鋼板的拉伸實(shí)驗(yàn),彎曲實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)主要由 UG 設(shè)計(jì),得到試樣的極限載荷。在配備相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)后,可以獲得彈性模量和泊松比,并獲得彎曲應(yīng)力公式以獲得彎曲和扭轉(zhuǎn)部分的應(yīng)力。使實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以完成材料彈性模量和泊松比測(cè)量, 彎曲力和彎曲在純彎曲測(cè)量下,彎曲和彎曲變形下的應(yīng)變測(cè)量功能。為了探究材料力學(xué)性能對(duì)超聲沖擊處理焊后應(yīng)力應(yīng)變的影響,賈翠玲,陳芙蓉采用有限元分析軟件 Abaqus 建立了不同力學(xué)性能參數(shù)的超聲沖擊模型7。分別討論了彈性模量、泊松比以及靜態(tài)屈服強(qiáng)度對(duì)超聲沖擊處理后材料應(yīng)力應(yīng)變的影響,旨在探討超聲沖擊處理對(duì)不同力學(xué)性能材料的應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)化程度。結(jié)果表明,材料的彈性模量、泊松比以及靜態(tài)屈服強(qiáng)度都會(huì)影響超聲沖擊處理的應(yīng)力應(yīng)變;且沖擊處 x 方向應(yīng)力隨著材料的彈性模量、泊松比以及靜態(tài)屈服強(qiáng)度的增加而增大;而等效塑性應(yīng)變會(huì)隨著彈性模量和靜態(tài)屈服強(qiáng)度的增加而變小,隨著泊松比的增加而增大; 泊松比對(duì)等效塑性應(yīng)變影響大于 x 方向應(yīng)力的影響。二、論文(設(shè)計(jì))研究的內(nèi)容1. 重點(diǎn)解決的問題用 Abaqus 對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)三大實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面(論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路)(1) 低碳鋼軸向拉伸實(shí)驗(yàn)低碳鋼是在工程生活中使用非常廣泛的一種材料,是一種典型的塑性材料。對(duì)于高等工科院校來說,材料力學(xué)課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,各類工科專業(yè)都要修學(xué)這門力學(xué)課程,而低碳鋼的單向拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一,所以低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)顯得尤為重要。低碳鋼拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以明顯的分為四個(gè)階段8,分別為彈性變形階段、塑性屈服階段、強(qiáng)化階段以及局部頸縮階段。目前大多數(shù)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中闡述低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí),往往只是簡(jiǎn)單的描述各階段試件變化的現(xiàn)象,對(duì)一些問題沒有進(jìn)行清楚的解釋。比如屈服階段時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線為什么發(fā)生明顯的波動(dòng);拉伸過程中試件如何發(fā)展到強(qiáng)化階段以及頸縮階段,試驗(yàn)力下降后試件為什么發(fā)生破壞;試件預(yù)先加載到強(qiáng)化階段以后,卸載之后再進(jìn)行加載,為什么不再出現(xiàn)屈服階段,而且彈性比例極限提高并不能清楚地得到解釋。在低碳鋼軸拉伸的應(yīng)力計(jì)算公式時(shí),在遠(yuǎn)離力作用端,橫截面上的應(yīng)力分布是均勻的,而力作用位置,應(yīng)力分布是非均勻的。剛開始接觸應(yīng)力這個(gè)概念,很難理解應(yīng)力在橫截面上的分布情況。此時(shí)若在 Abaqus 中畫一個(gè)低碳鋼軸向受拉的桿件, 計(jì)算后在后處理中顯示軸向應(yīng)力,根據(jù)應(yīng)力云圖顯示的結(jié)果,很形象地就知道了哪里應(yīng)力分布均勻,哪里應(yīng)力分布不均勻,從而更好地理解低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)四個(gè)階段產(chǎn)生的原因。(2) 彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)彈性模量是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量,故是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。在工程上,彈性模量則是材料剛度的度量,是物體變形難易程度的表征。彈性模量和泊松比的準(zhǔn)確測(cè)量非常重要。一般構(gòu)件受載,表面上的點(diǎn)處于平面應(yīng)力(或平面應(yīng)變狀態(tài))。測(cè)彈性模量 E 通常采用拉(壓)實(shí)驗(yàn),并用電測(cè)法的原理和電阻應(yīng)變儀。在比例極限范圍內(nèi),與成正比,由=E ,知,時(shí),可求得 E。利用試樣的橫向片和軸向片合理組橋,在設(shè)定載荷下分別測(cè)定試樣的橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變p 并隨時(shí)檢驗(yàn)其增長(zhǎng)是否附合線性規(guī)律,測(cè)出和p 值,即可確定值。而在有限元分析中, 只需建立軸向拉伸的桿件模型, 模擬計(jì)算階段用Abaqus/standard 求解模型所定義的數(shù)值問題,即可用所得應(yīng)力以及垂直方向上的應(yīng)變與載荷方向上的應(yīng)變求出彈性模量 E 以及泊松比。(3) 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)理解彎曲變形時(shí),通常是先講純彎曲情況下,彎矩與曲率間的關(guān)系,再與數(shù)學(xué)中關(guān)于曲線的曲率公式聯(lián)立,從而獲得撓曲線微分方程近似表達(dá)式9。積分法求解單一荷載作用下梁的彎曲變形優(yōu)勢(shì)十分明顯,但對(duì)于求多荷載作用下梁的彎曲變形問題,其計(jì)算過程十分繁雜,計(jì)算量也是較大。疊加法是當(dāng)梁上同時(shí)作用幾個(gè)荷載時(shí),可分別求出每一個(gè)載荷單獨(dú)作用的變形,把各個(gè)變形疊加即為這些載荷共同作用時(shí)的變形。對(duì)于疊加法求梁的彎曲變形問題,傳統(tǒng)的圖解法由于部分求解步驟的物理意義不清楚,效果不夠理想10。綜上所述可以發(fā)現(xiàn),對(duì)彎曲變形傳統(tǒng)的學(xué)習(xí),不論是積分法還是疊加法計(jì)算梁的彎曲變形的撓度和轉(zhuǎn)角, 它們都存在一個(gè)共同的弱點(diǎn),那就是不能將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)的圖形。Abaqus 在彎曲變形學(xué)習(xí)中應(yīng)用中前處理模塊提供了實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,模擬多種物理介質(zhì)的相互作用。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來11,也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出;在材料力學(xué)中的彎曲變形學(xué)習(xí)過程中,可用 ABAQUS 有限元軟件對(duì)每個(gè)算例進(jìn)行建模分析,計(jì)算梁的純彎曲正應(yīng)力,并計(jì)算出梁的彎曲變形圖。3. 本論文(設(shè)計(jì))預(yù)期取得的成果實(shí)現(xiàn)三個(gè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部?jī)?nèi)容,包括拉伸實(shí)驗(yàn)、彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn),以滿足材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部要求。利用 Abaqus 的計(jì)算和分析優(yōu)勢(shì),將材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來,利用其強(qiáng)大的建模及分析能力,演示力學(xué)過程和問題分析過程,借助 Abaqus 中的后處理模塊,能以動(dòng)畫的形式動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的全過程,這相當(dāng)于將力學(xué)實(shí)驗(yàn)室生動(dòng)形象地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示,而且仿真力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程可以重復(fù)進(jìn)行多次, 這也是比實(shí)際實(shí)驗(yàn)優(yōu)越的一面。在重復(fù)的過程中對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行深入的探索、研究, 從而啟發(fā)創(chuàng)新性思維。三、論文(設(shè)計(jì))工作安排1. 擬采用的主要研究方法(技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù));(1) Abaqus 仿真計(jì)算前處理1)建立模型開始計(jì)算前,需要對(duì)計(jì)算問題進(jìn)行分析,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)抽象與簡(jiǎn)化,建立實(shí)體模型。2) 選擇單元根據(jù)前面的分析結(jié)果,選擇滿足條件的單元并設(shè)定單元屬性,單元選擇合適與否直接關(guān)系分析的結(jié)果的準(zhǔn)確性;3) 材料屬性設(shè)置材料屬性參數(shù)關(guān)系材料本構(gòu),尤其是在低碳鋼軸向拉伸仿真實(shí)驗(yàn)中,對(duì)材料非線性參數(shù)的定義;4) 網(wǎng)格劃分根據(jù)幾何模型的特點(diǎn),較規(guī)則地方可采用映射或掃略的方式劃分,以減少計(jì)算出錯(cuò)的可能性12。在某些局部要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理,以達(dá)到計(jì)算更為精確的目的;5) 確定分析類型根據(jù)第一步分析結(jié)果,選擇需要的分析類型; 6)施加邊界條件根據(jù)構(gòu)件實(shí)際的加載情況定義邊界條件。 在前處理全部設(shè)置完以后,就可以提交讓 Abaqus 進(jìn)行求解計(jì)算13。在后處理中,則可以通過后處理模塊很容易地獲得求解計(jì)算的結(jié)果,通過一些操作提取需要的結(jié)論數(shù)據(jù),比如應(yīng)力應(yīng)變,位移,變形等等。(2) Abaqus 仿真計(jì)算求解模擬計(jì)算在正常情況下是作為后臺(tái)進(jìn)程處理的。主要采用的方法是有限元法。有限元法過程主要包括結(jié)構(gòu)的離散化、單元分析、整體分析和應(yīng)力的計(jì)算等主要環(huán)節(jié)。其中單元分析的目的是建立單元位移,并通過單元?jiǎng)偠汝嚱⒐?jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。整體分析的目的是將離散化的結(jié)構(gòu)再組裝起來,引入邊界條件以便求解。求出位移后可以計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力等物理量,從而完成有限元的分析14。1) 結(jié)構(gòu)的離散化首先根據(jù)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確立單元類型,再選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分方案來劃分幾何模型,劃分時(shí)盡量讓有限元模型逼近實(shí)際的連續(xù)體,以這樣一個(gè)離散結(jié)構(gòu)代替原有結(jié)構(gòu)15,整個(gè)結(jié)構(gòu)就變成了只在節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的離散體單元。2) 單元分析在結(jié)構(gòu)離散化之后,通常以節(jié)點(diǎn)位移作為自由度,并且,單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移都用節(jié)點(diǎn)上的位移表示出來,一般選擇一種試探函數(shù)作為單元的位移模式,用來表示單元內(nèi)近似的位移場(chǎng)。通常是通過插值法來確定單元位移模式,即用節(jié)點(diǎn)位移值通過某一種插值方式來得到位移場(chǎng)的分布。在 ABAQUS/Sandard 中,實(shí)體單元包括二維和三維的線性單元和二次單元,均可以采用完全積分或縮減積分。ABAQUS/Explicit 中,實(shí)體單元包括二維和三維的線性縮減積分單元。并需在三個(gè)不同的仿真模擬實(shí)驗(yàn)中選擇正確的試探函數(shù)進(jìn)行探討。3) 整體分析在有限元結(jié)構(gòu)將單元位移按節(jié)點(diǎn)順序排列后,可以得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移。 再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣 M-1 將單元分析的節(jié)點(diǎn)載荷、節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)位移和單元?jiǎng)偠染仃?,?duì)應(yīng)變換到整體坐標(biāo)上去。體力、面力等的等效載荷對(duì)單元求和后,單元之間的作用力會(huì)互相抵消,最終只剩下整體結(jié)構(gòu)的邊界部分所對(duì)應(yīng)的載荷力。4) 邊界條件的引入與方程的求解在引進(jìn)正確的邊界條件后,有限元方程才能變成具有唯一解的線性方程組,可以采用數(shù)值方法求解。解法主要有直接解法和迭代法。直接解法如 Gause 消元法或它的某種變化形式,按節(jié)點(diǎn)編號(hào)或單元編號(hào)的順序向前消元,再按相反順序回代, 直至求解完所有的變量。而迭代法是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過程。相較而言,迭代法求解速度較慢,求解結(jié)果是近似解,對(duì)非線性變化時(shí)是一種非常好的選擇。特別的,在低碳鋼軸向拉伸仿真試驗(yàn)中,在小變形范圍內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變是線性關(guān)系,且變形是可恢復(fù)的。當(dāng)材料受力繼續(xù)增大超過屈服極限時(shí),材料出現(xiàn)非線性變化,而且變形也是不可恢復(fù)的。一般的彈塑性問題仍然是限制在小變形內(nèi),即變形的幾何方程仍然保持與線性問題相同的形式,而材料的本構(gòu)方程則是非線性的15。所以將采用迭代法,在低碳鋼軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的四個(gè)階段,針對(duì)應(yīng)力以及應(yīng)變建立不同的數(shù)學(xué)理想模型。(3) Abaqus 仿真計(jì)算結(jié)果的顯示在完成了模擬計(jì)算得到位移、應(yīng)力或其它基本變量,就可以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估??梢暬K有多種方法顯示結(jié)果,可用彩色等值線圖,變形形狀圖和 x-y 平面曲線圖來表示。通過這些形式讓我們更全面深刻的理解這三個(gè)仿真模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。(4) Abaqus 仿真與理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析一拉伸實(shí)驗(yàn)a. 屈服極限的計(jì)算:屈服階段,若載荷是恒定的,則此時(shí)的應(yīng)力成為屈服強(qiáng)度ss。上屈服強(qiáng)度則是ssu 試樣發(fā)生屈服首次下降前的最高應(yīng)力,下屈服強(qiáng)度ssi 則是屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力。屈服強(qiáng)度按式ss=Ps/s0 計(jì)算,上屈服強(qiáng)度按式ssu=Psu/s0 計(jì)算,下屈服強(qiáng)度按式ssi=Psi/s0 計(jì)算16。b. 強(qiáng)度極限的計(jì)算:最大拉力值與原始橫截面值之比稱為抗拉強(qiáng)度sb,sb=Fb/S0。c.斷后伸長(zhǎng)率計(jì)算:試樣拉斷后,標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長(zhǎng)率d, d=(L1-L0)/L0100%。d.斷面收縮率的計(jì)算:斷面收縮率Y是試樣拉斷后,原始橫截面積 s0 與頸縮處最小橫截面積 s1 之差與原始橫截面積的百分率:Y=(s0-s1)/s1100%。二彈性模量 E 及泊松比m的測(cè)定計(jì)算每一個(gè)電阻應(yīng)變片各遍讀數(shù)的算術(shù)平均值再將正反兩面縱向片橫向片的算術(shù)平均值分別取平均值后,代入式E = DP/BtDex 和m=| Dey / Dex | 式計(jì)算 E 和m。三梁純彎曲段正應(yīng)力的計(jì)算計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的算術(shù)平均值按 Dsi = E Dei式計(jì)算實(shí)驗(yàn)值;按Dsi = DFaY/2Iz 式計(jì)算理論值;以理論值為準(zhǔn)計(jì)算實(shí)驗(yàn)值的百分誤差 d=(s理-s實(shí))/s理2. 論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度計(jì)劃第 1 周 :查閱文獻(xiàn),了解 Abaqus 的材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)仿真研究意義及研究現(xiàn)狀第 2 周 :查閱文獻(xiàn),了解 Abaqus 的材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)仿真研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線第 3 周 :撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告,及文獻(xiàn)綜述。第 4 周 :畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告修改及準(zhǔn)備開題報(bào)告答辯。第 5 周 :掌握材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理步驟數(shù)據(jù)分析及結(jié)論第 6 周 :學(xué)習(xí) Abaqus 編程技術(shù),掌握 Abaqus 編程原理及步驟第 7 周 :運(yùn)用編程實(shí)例學(xué)習(xí)深入對(duì) Abaqus 編程技術(shù)的理解第 8 周 :實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架及功能模塊的搭建第 9 周 :完成拉伸實(shí)驗(yàn)的 Abaqus 仿真第 10 周:完成彈性模量及泊松比實(shí)驗(yàn) Abaqus 仿真,準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查第 11 周:完成純彎曲實(shí)驗(yàn)的 Abaqus 仿真第 12 周:進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)大論文的前兩章的撰寫第 13 周:進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)大論文的后兩章的撰寫第 14 周:完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終修改,完成畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)。準(zhǔn)備答辯。四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)1 鄧小林. Abaqus 有限元軟件在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用J. 裝備制造技術(shù), 2017(9):181-184.2 劉鴻文,材料力學(xué)()M,北京:高等教育出版社,2010.3 劉鴻文,材料力學(xué)()M,北京:高等教育出版社,2010.4 Kallem R R. FEA analysis and automated design optimization using SIMULIA Abaqus and iSightD. California State University, Sacramento, 2010.5 張廣泰.材料力學(xué)拉伸試驗(yàn)測(cè)量的改進(jìn)J.工學(xué)院報(bào),2014(3):200-202.6 付昌云,孫僮,李志全,楊國(guó)印,李皓瑩,王相云,白洋亮.多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維仿真設(shè)計(jì)J.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(2):196-199.7 周塔,馬劍,汪天寶.材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2016(10).8 張振亞, 陳剛,楊睿,等. 深化材料力學(xué)性能課程改革的思考和探討J. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2015(23):165-166.9 彭旭龍. 材料力學(xué)中內(nèi)力圖教學(xué)探索J. 科教導(dǎo)刊, 2015(4x):129-130.10 毛瑞斌, 馬洪明, 王偉. ABAQUS 有限元分析在吊鎖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用C/ 2015 科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展與建設(shè)成就研討會(huì). 2015.11 YaoYong gang, Yao Bowen, Pan Zong. Virtual instrament system for teaching labJ. 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(畫內(nèi)力圖)應(yīng)力分布規(guī)律應(yīng)力最大值和強(qiáng)度計(jì)算變形和剛度計(jì)算壓桿穩(wěn)定性作為基本教學(xué)內(nèi)容的主線。在學(xué)習(xí)過程中內(nèi)容比較抽象,學(xué)習(xí)起來感到枯燥、無味,尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差的人更認(rèn)為材料力學(xué)難學(xué),產(chǎn)生消極的態(tài)度。所以入了仿真軟件 ABAQUS,在學(xué)習(xí)手段方面進(jìn)行了探索性的改革,從而在 ABAQUS 軟件中,使用者通過分析確定問題類型,根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸建立力學(xué)模型, 選擇合適的單元類型,賦給它對(duì)應(yīng)的材料屬性,然后對(duì)力學(xué)模型劃分網(wǎng)格和施加約束后進(jìn)行計(jì)算1,得到計(jì)算結(jié)果。通過后處理模塊將計(jì)算結(jié)果以不同的方式顯示出來或者輸出來。這種方法能分析出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)約制造成本。1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真研究(1) 低碳鋼軸向拉伸仿真實(shí)驗(yàn)低碳鋼拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以明顯的分為四個(gè)階段2,分別為彈性變形階段、塑性屈服階段、強(qiáng)化階段以及局部頸縮階段。在低碳鋼軸拉伸的應(yīng)力計(jì)算公式時(shí),在遠(yuǎn)離力作用端,橫截面上的應(yīng)力分布是均勻的,而力作用位置,應(yīng)力分布是非均勻的。剛開始接觸應(yīng)力這個(gè)概念,很難理解應(yīng)力在橫截面上的分布情況。在 Abaqus 中建立一個(gè)低碳鋼軸向受拉的桿件, 計(jì)算后在后處理中顯示軸向應(yīng)力,根據(jù)應(yīng)力云圖顯示的結(jié)果,形象地就知道了哪里應(yīng)力分布均勻,哪里應(yīng)力分布不均勻,從而更好地理解低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)四個(gè)階段產(chǎn)生的原因。文獻(xiàn)4中實(shí)現(xiàn)了拉伸試驗(yàn)的電子測(cè)量與微機(jī)數(shù)據(jù)處理,自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果等功能,將原來的液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)改造為相當(dāng)于先進(jìn)的電子試驗(yàn)機(jī),使得材力拉伸試驗(yàn)水平步人先進(jìn)行列,它具有較高的精度,測(cè)量低碳鋼材料的屈服極限等指標(biāo)相對(duì)誤差在 2%以內(nèi),因含部分彈性變形相對(duì)誤差為 10%左右,扣除彈性變形后誤差很小。通過應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、微機(jī)處理系統(tǒng)等數(shù)學(xué)瀏量手段,對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式液壓材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造。(2) 彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)在有限元分析中, 僅需建立軸向拉伸的桿件模型, 模擬計(jì)算階段用Abaqus/standard 求解模型所定義的數(shù)值問題5,即可用所得應(yīng)力以及垂直方向上的應(yīng)變與載荷方向上的應(yīng)變求出彈性模量 E 以及泊松比。文獻(xiàn)6中提出可以分別確定彎曲部件和彎曲部件的材質(zhì)和尺寸,并確定極限載荷。鋼板的拉伸實(shí)驗(yàn),彎曲實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)主要由 UG 設(shè)計(jì),得到試樣的極限載荷。在配備相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)后,可以獲得彈性模量和泊松比,并獲得彎曲應(yīng)力公式以獲得彎曲和扭轉(zhuǎn)部分的應(yīng)力。使實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以完成材料彈性模量和泊松比測(cè)量,彎曲力和彎曲在純彎曲測(cè)量下,彎曲和彎曲變形下的應(yīng)變測(cè)量功能。(3) 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)Abaqus 在彎曲變形學(xué)習(xí)中應(yīng)用中前處理模塊提供了實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,模擬多種物理介質(zhì)的相互作用。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來7,也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出;在材料力學(xué)中的彎曲變形學(xué)習(xí)過程中,可用 ABAQUS 有限元軟件對(duì)每個(gè)算例進(jìn)行建模分析,得到梁的純彎曲正應(yīng)力和出梁的彎曲變形圖。文獻(xiàn)8中于英華,高華通過有限元分析法得到泡沫鋁/鑄鐵層合梁在受載荷時(shí)的彎曲變形過程的特點(diǎn)是,隨層合梁承受載荷的增大,變形不斷擴(kuò)大,當(dāng)面板和泡沫鋁共同發(fā)生變形達(dá)到一定階段時(shí),泡沫鋁發(fā)生破壞,載荷達(dá)到極限載荷,過程與泡沫鋁的變形相似。泡沫鋁-鑄鐵層合梁的承受載荷變形的特點(diǎn)與鑄鐵不同,不再是小范圍高集中承載,而是將載荷向周圍擴(kuò)散,減緩應(yīng)力作用。2 基于 Abaqus 的仿真模擬流程圖 1 Abaqus 計(jì)算的基本流程ABAQUS 在結(jié)構(gòu)分析中以位移作為未知量把微分方程離散成代數(shù)方程組并借助其強(qiáng)大的求解器進(jìn)行求解9。然后用基本解位移根據(jù)幾何方程計(jì)算出應(yīng)變,再根據(jù)本構(gòu)方程求得各個(gè)應(yīng)力分量,最后,利用得到的這些應(yīng)力分量按等效應(yīng)力和主應(yīng)力計(jì)算公式,算得等效應(yīng)力、主應(yīng)力和各 方向應(yīng)力。Abaqus 有限元軟件的分析過程主要包含前處理、求解、后處理三部分。在前處理模塊中,Abaqus 提供強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具10,具體流程如下:(1) 建立模型:開始計(jì)算前,需要對(duì)計(jì)算問題進(jìn)行分析,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)抽象與簡(jiǎn)化,建立實(shí)體模型。(2) 選擇單元:根據(jù)前面的分析結(jié)果,選擇滿足條件的單元并設(shè)定單元屬性11, 單元選擇合適與否直接關(guān)系分析的結(jié)果的準(zhǔn)確性;(3) 材料屬性設(shè)置:材料屬性參數(shù)關(guān)系材料本構(gòu),尤其是在低碳鋼軸向拉伸仿真實(shí)驗(yàn)中,對(duì)材料非線性參數(shù)的定義;(4) 網(wǎng)格劃分:根據(jù)幾何模型的特點(diǎn),較規(guī)則地方可采用映射或掃略的方式劃分,以減少計(jì)算出錯(cuò)的可能性12。在某些局部要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理,以達(dá)到計(jì)算更為精確的目的;(5) 確定分析類型:根據(jù)第一步分析結(jié)果,選擇需要的分析類型;(6) 施加邊界條件:根據(jù)構(gòu)件實(shí)際的加載情況定義邊界條件。在前處理全部設(shè)置完以后,就可以提交讓 Abaqus 進(jìn)行求解計(jì)算13。在后處理中,則可以通過后處理模塊很容易地獲得求解計(jì)算的結(jié)果,通過一些操作提取需要的結(jié)論數(shù)據(jù),比如應(yīng)力應(yīng)變,位移,變形等等。3 Abaqus 的仿真模擬的優(yōu)勢(shì)(1) 用彩色等值線顯示不同數(shù)值的力學(xué)量,通過觀察顏色就能了解力學(xué)量在結(jié)構(gòu)中的分布情況,非常直觀形。Abaqus 后處理中能把計(jì)算結(jié)果以彩色等值線的形式顯示,它用不同的顏色表示結(jié)果項(xiàng)(如應(yīng)力、應(yīng)變、變形等)在結(jié)構(gòu)上的變化14,而用同一種顏色表示數(shù)值相同的區(qū)域。因此通過等值線的顯示,可以非常直觀地得到結(jié)構(gòu)某一結(jié)果項(xiàng)的分布情況,這一功能對(duì)理解材料力學(xué)中的一些知識(shí)點(diǎn)是非常有益的。(2) 通過動(dòng)畫顯示結(jié)構(gòu)的變形過程Abaqus 后處理中能夠以動(dòng)畫的形式顯示構(gòu)件的變形過程,這在感官上能夠很好地理解構(gòu)件的變形。它能形象地顯示結(jié)構(gòu)在載荷作用下,是如何一點(diǎn)點(diǎn)變形的,直到達(dá)到最終的變形結(jié)果。在觀察變形的同時(shí),還可以保留初始的結(jié)構(gòu)形狀,以便和變形后的形狀進(jìn)行對(duì)比。在講解軸向拉伸與壓縮變形時(shí),可以建立一個(gè)軸向受拉或者受壓的桿件,計(jì)算結(jié)束后,可以在菜單中執(zhí)行 Animate15。然后軟件就會(huì)自動(dòng)播放桿件的變形過程,這時(shí)候仔細(xì)觀察桿件發(fā)生了哪些變形現(xiàn)象?例如:桿件長(zhǎng)度發(fā)生了什么樣的變化,桿件外表面上的橫向間距變大還是變小了,變形后是否仍然保持直線狀態(tài)等等, 以便為下一步的推理做好準(zhǔn)備。(3) 能以數(shù)值、圖表或者圖線的形式輸出結(jié)果項(xiàng)在強(qiáng)度分析中,我們關(guān)注的是最大工作應(yīng)力值。剛度分析中,我們關(guān)注的是變形后的位移量和轉(zhuǎn)角的最大值。而這些結(jié)果項(xiàng)通過前面的彩色云圖顯示,只知道大概位置發(fā)生在什么部位,具體數(shù)值和精確節(jié)點(diǎn)并不清楚,這時(shí)候可以利用后處理中的列表功能。該功能可以很快地確定所查詢結(jié)果項(xiàng)目的最大值和最小值及其所在的具體位置,這對(duì)尋找危險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)行強(qiáng)度分析是非常便捷的。另外,在計(jì)算結(jié)構(gòu)的約束力時(shí)16, 在實(shí)際理論計(jì)算中非常容易出錯(cuò),Abaqus 中就避免了這個(gè)問題,在計(jì)算完成后,約束反力可以通過后處理中直接列出來,這比列平衡方程簡(jiǎn)單方便,而且不會(huì)出錯(cuò)。在平時(shí)學(xué)習(xí)中,也可以用這種方法檢查自己求出的約束力是否正確。4 結(jié)論總之,用 Abaqus 的計(jì)算和分析優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部?jī)?nèi)容,包括拉伸實(shí)驗(yàn)、彈性模量與泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)并解決材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部要求。以動(dòng)畫的形式動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的全過程,這相當(dāng)于將力學(xué)實(shí)驗(yàn)室生動(dòng)形象地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。在重復(fù)的過程中對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行深入的探索、研究,從而啟發(fā)創(chuàng)新性思維,為以后的深入研究提供基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 Kallem R R. 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