Politechnika Świętokrzyska

Wydział Zarządzania i Modelowania Komputerowego

Opracował: dr Jan Lachowski

Wprowadzenie od systemu ABAQUS

Informacje podstawowe o systemie

Strony związane z systemem analizy metodą elementów skończonych (Finite Element Analysis) ABAQUS:

Firma Budsoft - Poznań: www.budsoft.com.pl

Poznańskie Centrum Superkomputerowo Sieciowe: www.man.poznan.pl

- Zasoby -> Aplikacje

- Zasoby-> Komputery obliczeniowe -> SGI Power Challege XL -> Oprogramowanie

-> CRAY SV1 -> Oprogramowanie

Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego UW:

www.icm.edu.pl -> Zasoby -> Oprogramowanie

Akademickie Centrum Komputerowe CYFRONET AGH :

www.cyfronet.krakow.pl

- Usługi obliczeniowe -> Komputery dużej mocy obliczeniowej -> Oprogramowanie

-> Pakiety oprogramowania: ABAQUS, NASTRAN

Politechnika Świętokrzyska: serwer eden , ABAQUS/Standard/Explicit/CAE ver. 6.2

ABAQUS jest pakietem programów służących do rozwiązywania skomplikowanych

problemów inzynierskich. ABAQUS jest używany na świecie w środowisku akademickim

i w przemyśle, gdzie konieczna jest rzetelna ocena wytrzymałościowa elementów maszyn lub konstrukcji inżynierskich. ABAQUS bazuje na metodzie elementu skonczonego (Finite Element Method). Uzytkownik ma do dyspozycji bibliotekę powszechnie uzywanych elementow w jednym, dwoch i trzech wymiarach.

ABAQUS powstał w amerykańskiej firmie Hibbitt, Karlsson & Sorensen (HKS), następnie był rozwijany przez firmę ABAQUS, Inc.; a obecni jest rozwijany przez firmę SIMULIA.

Architektura programu oparta jest na koncepcji bibliotek:

• Biblioteka elementow skończonych pozwala na modelowanie dowolnie skomplikowanych geometrii układów;

• Biblioteka modeli materiałów pozwala na modelowanie izotropowych i anizotropowych materiałów w procesach adiabatycznych i izotermicznych, dla małych i dużych prędkości odkształceń, dla małych i dużych deformacji. Biblioteka materiałów zawiera modele przeznaczone do analizy metali, gum, plastyków, kompozytów, zbrojonych betonów, materiałów porowatych (pianek), materiałów geotechnicznych (grunty i skały) i in;

• Biblioteka procedur analizy oferuje możliwości analizy stanu naprężeń, odkształceń i przemieszczeń dowolniych liniowych i nieliniowych procesów, przepływu ciepła, transportu masy (dyfuzji i konwekcji), analizy akustycznej i piezoelektrycznej. Analizy te mogą być przeprowadzone niezależnie, sekwencyjnie lub sprzężone z analizą naprężeń.

Użytkownik może tworzyć dowolne kombinacje elementów skończonych, materiałów i procedur analizy.

ABAQUS ma budowę modularną, która obejmuje następujące moduły:

• ABAQUS/Standard - program metody elementów skończonych ogólnego przeznaczenia, zawiera wszystkie procedury analizy oprócz całkowania nieliniowych równań ruchu metodą jawną.

• ABAQUS/Explicit - program elementów skończonych specjalnego przeznaczenia do rozwiązywania zagadnień dynamicznych (dla procesów bardzo szybkich, jak obciążenia uderzeniowe), przy użyciu metody jawnej (explicit) całkowania równań ruchu.

• ABAQUS/CAE - interakcyjny graficzny interfejs użytkownika (Complete Abaqus Environment), tzn. pre- i postprocesor. Przy jego pomocy możemy zbudować model, wykonać obliczeń w module solver (ABAQUS/Standard lub ABAQUS/Explicit), a pózniej w środowisku graficznym przedstawić wyniki. ulatwia uzytkownikowi utworzenie modelu geometrycznego, nalozenie siatki, definiowanie wlasnosci fizycznych, materialu, warunkow brzegowych i obciazen.

Uruchamianie pakietu programu:

ABAQUS CAE - interface graficzny,

ABAQUS Command - interface tekstowy,

ABAQUS Documentation - dokumentacja w formacie HTML,

ABAQUS/Viewer - postprocesor, tylko moduł Viewer.

Program ABAQUS/CAE podzielony jest na moduły, z których każdy dotyczy pewnego logicznego aspektu procesu modelowania.

Program ABAQUS/CAE składa się z kolej z następujących modulów:

• Part: konstrukcja czesci modelu przez szkicowanie geometrii w CAE lub importowanie geometrii z innych programów; part istnieje w swoim własnym układzie współ. niezależnie od innych części; Part/Create automatycznie uruchamia Sketcher

• Property: definicja wlasnosci materialu i fragmentow, określenie modeli materiałowych materiałowych, geometrii przekroju i in.

• Assembly: definicja calej geometrii, złożonej z wcześniej zdefiniowanych części, tworzy instancje części i umieszcza je względem siebie w układzie globalnym; model może zawierać wiele części (parts), ale tylko jeden montaż (assembly).

• Step: ustalenie typu analizy (np. Static, General; Dynamic, Implicit; Dynamic, temp-disp) i wymaganych danych wyjściowych (Output), parametrów Incrementation - Automatic lub Fixed.

• Interaction: mechaniczne i termiczne oddziaływania pomiędzy regionami modelu lub pomiędzy regionem, a otoczeniem; np.: kontakt pomiędzy powierzchniami, więzy typu połączenie, równania lub ciało sztywne;

• Load: definicja obciążeń, warunków brzegowych (BC) i pól; są zależne od kroku Step tzn. że trzeba określić na którym kroku analizy są aktywne,

• Mesh: utworzenie siatki na geometrii;

• Job: utworzenie zadania i poddanie, przedstawienie (submit)do modulu analizy ABAQUS/Standard lub ABAQUS/Explicit ; różne modele i zadania mogą być uruchomione i monitorowane jednocześnie,

• Visualization: wizualizacja wynikow analizy, inne nazwy modułu: postprocesor, ABAQUS/Viewer.

• Sketch: szkicowanie dwu-wymiarowych profili, szkice mogą być wytłaczane (extrution), rozciągane (sweep) i obracane w celu formowania trzy-wymiarowych części.

Podstawowe polecenia programu ABAQUS/CAE

Moduł Property (własności)

1. Definicja własności materiału: Material/Create , definicja własności sprężystych: Mechanical/Elasticity, moduł Younga (Young's Modulus), współczynnik Poissona (Poisson's Ratio); definicja własności plastycznych - Mechanical/Plasticity, naprężenie (Stress), odkształcenie (Strain) - musi się zaczynać od wartości 0, współczynnik rozszerzalności cieplnej - Mechanical/Expansion, gęstość materiału - General/Density, nazwanie modelu materiału - Name.

2. Zmiana nazwy materiału: Material/Rename,

3. Zmiana własności materiału: Material/Edit, wybrać odpowiedni materiał i prowadzić edycję jak dla definiowania powyżej.

4. Usunięcie materiału: Material/ Delete i wskazać odpowiedni materiał.

5. Definicja profilu (tylko dla elementów belkowych): Profile/Create, wybrać geometrię i podać odpowiednie wymiary.

6. Definicja sekcji (przekroju): Section/Create; kategoria (Category) - Solid (przestrzenny), Shell (powłokowy), Beam (belkowy); typ (type) - wybrać Homogeneous (jednorodny); dołączyć do sekcji materiał, nazwać sekcję; dla elementów belkowych należy określić moduł Younga, moduł sztywności i współ. Poissona.

7. przyporządkowanie geometrii przekroju do całego lub części (region) modelu: Assign/Section, wskazać region , wybrać sekcję.

Moduł Step (krok analizy):

1. ustalenie typu analizy np.: Linear Perturbation / Static Perturbation (liniowe statyczne perturbacje), General / Dynamic,Explicit (procedura dynamiczna); Dynamic/Implicit (procedura dynamiczna); Static,General (procedura statyczna);

2. geometria nieliniowa Nlgeom (non linear geometry); On/Off; należy stosować nieliniową geometrię dla dużych odkształceń,

3. przyrosty czasu Incrementation - początkowy, minimalny, maksymalny.

4. ustawienie wymaganych zmiennych wyjściowych: Output/Field Output Request: poddać edycji żądane zmienne do wyprowadzenia; typowe zmienne: S (Stresses) - naprężenia, E (Strains) - odkształcenia (małe), LE (Strains) - odkształcenia logarytmiczne (duże), PEEQ - odkształcenie plastyczne, U,V (Displacement/Velocity) - przemieszczenia, prędkości; RF (Reaction Force) - siły reakcji, CF (Concentrated Force) - siły skupione, TEMP - temperatura,

Output/History Output Request:

ALLWK (Work) - całkowita praca zewnętrzna,

ALLIE (Internal energy) - całkowita energia wewnętrzna,

ALLPD (Plastic Dissipation) - energia odkształcenia plastycznego,

ALLSE (Strain Energy) - energia odkształcenia sprężystego

Moduł Interaction (oddziaływanie):

mechaniczne i termiczne oddziaływania pomiędzy regionami modelu lub pomiędzy regionem, a otoczeniem; np.: kontakt pomiędzy powierzchniami, więzy typu połączenie, równania lub ciało sztywne;

Moduł Load (obciążenie):

1. Definicja warunków brzegowych (boundary condition): BC/Create, wybrać Displacement/Rotation (Przemieszczenie/Obrót), zaznaczyć fragment geometrii do nałożenia więzów: węzeł, krawędź lub powierzchnię, Done (wykonaj) i wybrać stopnie swobody na które są narzucone więzy (stopnie translacyjne U1, U2, U3, stopnie rotacyjne UR1, UR2, UR3).

Uwaga: warunki brzegowe definiować na kroku początkowym Step/Initial.

2. Warunki brzegowe nałożone na belkę, rodzaje więzów:

Podparcie przegubowe:

• Podparcie przegubowe stałe; możliwość obrotu wokół punktu O; w ABAQUS brak translacji w kierunku 2 i 3 na osi podpory (boczna i dolna krawędź belki);

• Podparcie przegubowe przesuwne; możliwość obrotu wokół punktu O i przesunięcia wzdłuż osi 3; w ABAQUS brak translacji w kierunku 2 na osi podpory (boczna i dolna krawędź belki);

Utwierdzenie (zamocowanie):

• Utwierdzenie stałe (sztywne); nie ma żadnego stopnia swobody; w ABAQUS brak translacji w kierunku 1,2 i 3 na końcowej ściance podpory;

• Utwierdzenie przesuwne; w ABAQUS brak translacji w kierunku 1 i 2 na końcowej ściance podpory;

2. definicja obciążeń: Load/Create , ciśnienie - Pressure; siła skupiona - Concentrated Force, współrzędne wektora siły: CF1, CF2, CF3, moment siły - Moment. Uwaga: obciążenia trzeba określić na kroku analizy (Step) różnym od początkowego (Initial)!

Obciążenie w Abaqus: obciążenie rozłożone (Pressure) i siły skupione (Concentrated force)

Obciążenia w ABAQUS'ie określać poleceniem w module Load: Load/Create, wybrać Concentrated Load lub Pressure; Continue, zaznaczyć obszar, Done, określić wartość i współrzędne siły lub wartość ciśnienia.

Uwaga: ciśnieniem p jest rozłożone na zadanej ściance; siły skupione F są przyłożone w węzłach.

3. edycja obciążenia: Load/Edit

4. kasowanie obciążenia: Load/Delete

Moduł Mesh (siatka):

utworzenie siatki węzłów i elementów na geometrii modelu.

Moduł Job (zadanie):

1. Uruchomić analizę zadania : Job/Submit; czekać aż będą utworzone pliki wynikowe po komunikacie: Job Belka_nazwa zadania_completed successfully.

2. Postęp analizy można śledzić w Job/Monitor,

3. Wizualizacja wyników analizy: Job/Results.

4. Restart (wznowienie) analizy: informacja do restartu analizy jest zapisywana po każdym kroku. Restart po dodaniu następnych kroków analizy:

1. Model-A z krokiem analizy Step-A, wykonanie zadania Job-A,

2. Kopia Model-A do Model-B, Model-B aktualnym modelem,

3. dodanie kroku analizy Step-B do Model-B,

4. w menu głównym: Model/Edit attributes/Model-A-restart

1. Job-A jako zadanie restartu

2. ustawić Step-A krok z którego dane do restartu są czytane,

3. wybrać Restart from the end of the step

5. kopia Job-A do nowego zadania Job-B, które używa Model-B,

6. z głównego menu: Job/Edit/Job-B, wybrać typ: Restart,

7. Job/Submit/Job-B.

Moduł Visualization (wizualizacja wyników):

1. Ikona Plot Contours (lub polecenie Plot/Contours) wyświetla wykres konturowy; zmiana zmiennych na wykresie: Results/Field Output:

1. Mises (naprężenie zastępcze Huber-Misesa),

2. Max Principal, Mid. Principal, Min. Principal, (składowe normalne w kierunku osi głównych),

3. Tresca (naprężenie zastępcze Treski),

4. Pressure - ciśnienie,

5. S11, S22, S33 (składowe normalne naprężenia),

6. S12, S23, S13 (składowe styczne naprężenia).

7. odkształcenie (Strain) - odkształcenie całkowite E, odkształcenie sprężyste EE, odkształcenie plastyczne PE, odkształcenie logarytmiczne LE,

8. Max. Mid. Min. Principal, E11, E22, E33, E12, E23, E31 - składowe odkształceń

9. Przemieszczenie U1, U2, U3.

siły reakcji - RF (Reaction force), RF1, RF2, RF3

2. Wyświetlenie więzów nałożonych na model: View/ODB Display Options/Entity Display/Show boundary conditions.

3. Dobranie współczynnika skali: Contour Options/Shape/Deformation scale factor; parametr Uniform oznacza współczynnik określony przez użytkownika, w Value wpisac wartość tego współczynnika.

4. Wyświetlenie wykresu zmian wartości zmiennych w czasie symulacji: Results/History Output:

1. External Work, ALLWK - całkowita praca zewnętrzna,

2. Internal energy, ALLIE - całkowita energia wewnętrzna,

3. Plastic Dissipation, ALLPD - energia odkształcenia Plastycznego,

4. Strain Energy, ALLSE - energia odkształcenia Sprężystego

5. Wyświetlić wykres Plot.

5. Tworzenie danych do wykresu: Tools/XY Data/Manager/Create

6. Ustawienia dla prezentacji wyników

1. Viewport / View Annotation Options

1. Triad, Legend (decimal places), Title Block, State Block - On/Off

2. Set Font - Font / Size / Bold / Italic;

2. View / Graphics options / Background color - ustawienie koloru tła, np. White,

3. View / ODB Display Options / Entity Display

1. Show Boundary Conditions - On/Off

2. Sweep & Extrude - kąt dla zadań osiowosymetrycznych, głębokość dla zadań płaskich

4. View / Assembly Display Options - opcje wyświetlania

1. Mesh - Node Labels, Element labels - wyświetla numery węzłów I elementów,

2. Instance - wyświetla wskazane instancje,

5. Contour Plot Options - opcje wykresu konturowego

1. Basic - Contour Intervals - liczba poziomnic, np. 5,

2. Color&Style - Spectrum, kolorowe lub stopnie szarości,

3. Labels - show node labels, show element labels, show node symbols

4. Shape - Deformation Scale Factor - współczynnik skali,

5. Limits - Max, Min - maksymalna i minimalna granica.

6. Tools / Display Group / Create ; Save Selection As - wybór części modelu do prezentacji wyników,

1. Tools / Display Group / Plot - wyświetlenie wybranej części,

7. Zapisanie wyników w pliku File/Print

1. Print Viewport Backgrounds - On/Off

2. Rendition (przetłumaczenie, interpretacja): Color lub Grayscale

3. Destination (przeznaczenie): Printer lub File

4. Scieżka do pliku pliku (łacznie z nazwą): Selekt

5. Format: PNG lub TIFF

Typowa kolejność postępowania przy definicji modelu mechanicznego w ABAQUS:

• geometria: zdefiniowana przez siatke, skladajaca sie z węzłów i elementow skonczonych; rodzaj elementow i gestosc siatki decyduja o dokładności obliczeń.

• wlasnosci przekroju elementu (Element section properties): uzupelniaja informacje o geometrii.

• dane materiałowe

• obciazenia i warunki brzegowe: siły i momenty skupione, obciazenia powierzchni, sily objetosciowe, obciazenia cieplne.

• rodzaj analizy: w ABAQUS/Standard - analiza statyczna, ABAQUS/Explicit analiza dynamiczna.

Dokumentacja

Dokumentacja jest w postaci papierowej i komputerowej: Cala dokumentacja istnieje on-line, uzyskujemy ja wpisując komendę abaqus doc . Większość dokumentacji jest dostępna

również w formie ksiazkowej, podręczniki tradycyjne:

Getting Started with ABAQUS/Standard

Getting Started with ABAQUS/Explicit

Getting Started with ABAQUS

Patrz ABAQUS/CAE User's Manual.

ABAQUS/Standard User's Manual

Podstawowy podrecznik do ABAQUS/Standard. Zawiera pelny opis elementow,

materialow, warunkow brzegowych i poczatkowych, mozliwych analiz itd.

ABAQUS/Explicit User's Manual

Podstawowy podrecznik do ABAQUS/Explicit.

ABAQUS/CAE User's Manual

Podstawowy podrecznik do ABAQUS/CAE. Zawiera tutoriale.

ABAQUS Analysis User's Manual, Vol. I - VI

ABAQUS Keywords Refence Manual, Vol. I - II

Zawiera opis wszystkich slow kluczowych z parametrami pliku wejsciowego do ABAQUS.

ABAQUS Example Problems Manual

Podrecznik obejmuje wiele rozwiazanych problemow przykladowych ilustrujacych

mozliwosci zastosowania programu ABAQUS. Do kazdego przykladu dolaczona jest

dyskusja problemu. Pliki wejsciowe sa czescia instalacji wiec uzytkownik moze

sam startowac symulacje i przeanalizowac wyniki.

ABAQUS Benchmarks Manual

Zawiera problemy testowe. Pliki wejsciowe sa czescia instalacji jak wyzej.

ABAQUS Verification Manual

Zawiera problemy testowe. Pliki wejsciowe sa czescia instalacji jak wyzej.

ABAQUS Input Files

Zawiera wszystkie pliki wejsciowe do przykladow i problemow testowych

zawartych w ABAQUS Example Problems Manual, ABAQUS Benchmarks Manual i

ABAQUS Verification Manual

ABAQUS Theory Manual

Zalozenia teoretyczne ABAQUS. Metody stosowane w procedurach obliczeń.

ABAQUS Release Notes

ABAQUS Scripting Manual

Site and Instalation Guide

Polecenie i pliki programów ABAQUS

W ABAQUS'ie znajdują się pliki z archiwizowanymi zaawansowanymi przykładami danych do obliczeń. Aby otrzymać zadany plik z archiwóm należy użyć komendy:

abaqus fetch job=file_name

gdzie file_name jest nazwą zadanego pliku. Następnie można wykonać obliczenia komendą:

abaqus job=file_job input= file_name.inp interactive

Parameter interactive - zadanie wykonywane interakcyjnie; wypisuje na ekran komunikaty o przebiegu zadania. W

parametr background (lub bez parametru)- zadanie będzie wykonywane w tle.

Parametr job= file_job określa nazwę główną plików pod jakimi zostaną

zapisane wyniki obliczeń.

Niektóre rozszerzenia nazw plików z wynikami:

.dat - plik tekstowy zawiera wyniki analizy nadające się do wydrukowania

.msg - plik tekstowy zawiera informacje o przebiegu analizy zadania, ostrzeżenia i błędy analizy,

.sta - plik zawiera informacje o zakończonych przyrostach i krokach

.res - pliki binarne służące do wznowienia obliczeń.

.mdl - plik modelu, potrzebny do restartu,

.stt - plik roboczy dla sparse solver

.fil - plik binarny lub tekstowy zawierający wyniki obliczeń. Może być

użyty do graficznego przedstawienia wyników przez NASTRAN.

.odb - plik zawierający wyniki obliczeń do wizualizacji przez ABAQUS/CAE

.abq - plik używany tylko przez ABAQUS/Explicite.

.sel używany przez Explicit, potrzebny do restartu.

Osobie poczatkujacej najlatwiej zaczac pracowac z interfejsem graficznym ABAQUS/CAE.

Po wyborze Start Tutorial pojawia sie dokumentacja z przykladami do przerobienia w rozdziale Getting started with ABAQUS/CAE.

---