ABAQUS針對(duì)機(jī)械行業(yè)的解決方案

    當(dāng)前，CAD技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)中已日趨成熟，為企業(yè)帶來了巨大變革，但機(jī)械制造商卻越來越認(rèn)識(shí)到，在工業(yè)產(chǎn)品日趨復(fù)雜化的今天，在創(chuàng)新創(chuàng)造價(jià)值的今天，僅靠CAD很難提高產(chǎn)品性能，從而為自己贏得優(yōu)勢(shì)地位。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，產(chǎn)品的有限元分析越逼近真實(shí)，設(shè)計(jì)水平就越高，而其工業(yè)成本就能降低，產(chǎn)品質(zhì)量就能不斷提高，投放市場的速度就能不斷加快，最終達(dá)到增強(qiáng)市場競爭優(yōu)勢(shì)的目的。

美國ABAQUS軟件公司成立于1978年，公司100%專注于從事非線性有限元力學(xué)分析軟件的開發(fā)，并始終致力于分析軟件的更新、維護(hù)以及售后服務(wù)，不斷吸取最新的分析理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著全世界非線性有限元技術(shù)的發(fā)展。ABAQUS產(chǎn)品包括以下模塊：ABAQUS/CAE、ABAQUS FOR CATIA(前后處理模塊)、ABAQUS/Standard(隱式求解器模塊)以及ABAQUS/Explicit(顯式求解器模塊)。ABAQUS軟件已被全球工業(yè)界廣泛接受，并擁有世界最大的非線性力學(xué)用戶群，目前已成為國際上最先進(jìn)的大型通用非線性有限元力學(xué)分析軟件。

ABAQUS始終領(lǐng)導(dǎo)著世界非線性CAE領(lǐng)域的發(fā)展方向，其作為世界公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了工程仿真的各個(gè)方面，廣泛用于航空航天、電子、醫(yī)療、耐用品、汽車、國防、石化、能源以及材料工程等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。ABAQUS公司在全球范圍內(nèi)一些行業(yè)的典型用戶，如圖1所示。

圖1 ABAQUS典型用戶

通過ABAQUS仿真可以幫助工程師在早期設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過程中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，可解決從相對(duì)簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量，大量節(jié)約了資金，贏得市場。

ABAQUS軟件的功能可以歸納為線性分析、非線性和瞬態(tài)分析和機(jī)構(gòu)分析三部分。

(1)線性靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和熱傳導(dǎo)。包括靜強(qiáng)度/剛度、動(dòng)力學(xué)/模態(tài)、熱力學(xué)/聲學(xué)、金屬/復(fù)合材料、應(yīng)力、振動(dòng)、聲場以及壓電效應(yīng)等。

(2)非線性和瞬態(tài)分析。包括汽車碰撞、飛機(jī)墜毀、電子器件跌落、沖擊、損毀、接觸、塑性失效、斷裂/磨損以及橡膠超彈性等。

(3)多體動(dòng)力學(xué)分析。包括挖掘機(jī)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析、起落架收放、汽車懸架、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS以及醫(yī)療器械等。

在機(jī)械行業(yè)，ABAQUS能夠提供滿足各種工程應(yīng)用的分析功能。從簡單線性分析到復(fù)雜非線性分析，從多剛體動(dòng)力學(xué)分析到非線性柔性系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，從穩(wěn)態(tài)分析到瞬態(tài)分析，ABAQUS軟件均能提供完整的分析仿真解決方案。

隨著工業(yè)領(lǐng)域分析需求的不斷增長，機(jī)械行業(yè)對(duì)有限元分析技術(shù)的需求也在不斷發(fā)展。目前，機(jī)械行業(yè)有限元分析面臨的兩大問題是：對(duì)有限元分析新功能需求的不斷增長、統(tǒng)一有限元分析平臺(tái)。

針對(duì)新功能需求的不斷增長，ABAQUS一直保持強(qiáng)大的研發(fā)隊(duì)伍進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，不斷進(jìn)行創(chuàng)新，滿足不斷增長的分析需求。具體的方法革新體現(xiàn)在以下各個(gè)方面。

1.技術(shù)創(chuàng)新

許多有限元技術(shù)方法基于過時(shí)的假設(shè)和當(dāng)時(shí)硬件條件的約束，現(xiàn)在急需改進(jìn)。傳統(tǒng)的線性方法不能充分捕捉到真實(shí)世界的響應(yīng)。隨著仿真方法的不斷成熟，對(duì)有限元技術(shù)創(chuàng)新的需求就更加急迫。高階修正的四面體單元、穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)的輪胎、非線性柔性機(jī)構(gòu)、粘接單元和直接求解循環(huán)熱載荷等，都是ABAQUS技術(shù)創(chuàng)新的見證。高階四面體在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 高階四面體在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.性能提升

新材料、競爭壓力和高速廉價(jià)的分布式計(jì)算條件不斷驅(qū)動(dòng)仿真性能的提升。通過改進(jìn)算法，適應(yīng)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，提升軟件的計(jì)算性能，縮短仿真計(jì)算時(shí)間，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)贏得更多時(shí)間。分布式并行計(jì)算效率圖，如圖3所示。

圖3 分布式并行計(jì)算效率圖

3.過程自動(dòng)化

ABAQUS通過開放的系統(tǒng)，允許用戶對(duì)特定需求和分析流程進(jìn)行二次開發(fā)，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)分析過程自動(dòng)化?？梢詫?duì)重復(fù)性的工作進(jìn)行定制，以幫助用戶進(jìn)一步提高工作效率。HONDA無級(jí)變速器過程自動(dòng)化的分析界面，如圖4所示。

圖4 HONDA無級(jí)變速器過程自動(dòng)化分析界面

4.PLM系統(tǒng)集成

新產(chǎn)品AFC(ABAQUS For CATIA)，將ABAQUS的非線性高級(jí)有限元分析功能集成于CATIA環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了CAD與CAE的關(guān)聯(lián)，即CAD模型的修改將自動(dòng)傳遞到CAE模型，進(jìn)而減少修改模型時(shí)間、提高工作效率，使設(shè)計(jì)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，就可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間。AFC在BOING787客機(jī)復(fù)合材料機(jī)身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如圖5所示。

圖5 AFC在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于歷史原因，不同類型的問題（如靜力學(xué)或動(dòng)力學(xué)問題、線性或非線性問題），企業(yè)會(huì)采用不同的有限元平臺(tái)進(jìn)行仿真計(jì)算。但是，不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，經(jīng)常造成計(jì)算數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)建模等麻煩。另外，CAE分析人員的培訓(xùn)和分析平臺(tái)的維護(hù)也都會(huì)對(duì)工作效率造成影響。因此，統(tǒng)一的仿真分析平臺(tái)是針對(duì)該問題的最佳解決方案。ABAQUS在統(tǒng)一分析平臺(tái)下，避免了數(shù)據(jù)丟失和重復(fù)建模等問題，節(jié)省了用戶的分析人力資源。

ABAQUS產(chǎn)品的如下特點(diǎn)，使它可以通過統(tǒng)一的有限元分析平臺(tái)，完成用戶多方位的仿真需求。

1.隱式和顯式求解器模塊的完美結(jié)合

由于ABAQUS/Standard（隱式求解器）、ABAQUS/Explicit（顯式求解器）同為ABAQUS公司的產(chǎn)品，它們之間的數(shù)據(jù)傳遞非常方便，單元類型、材料和命名一致，用戶可以很方便地進(jìn)行兩種求解方法的轉(zhuǎn)化和聯(lián)合運(yùn)算。ABAQUS/CAE（前后處理模塊）還可以很方便地讓用戶對(duì)同一有限元模型進(jìn)行兩個(gè)求解器之間的切換，并保留已經(jīng)定義好的載荷、邊界條件以及接觸等屬性，使用戶可以用不同算法對(duì)同一問題進(jìn)行比較、研究，確保問題求解的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)代汽車公司利用統(tǒng)一的有限元模型和ABAQUS的隱式、顯式求解器對(duì)駕駛員座艙進(jìn)行自然頻率分析、儀表板蠕變分析和頭部碰撞分析等，如圖6所示。

圖6 ABAQUS在現(xiàn)代汽車公司的應(yīng)用

2.豐富的單元庫和材料庫

ABAQUS具有豐富的單元庫，包含超過500種單元。這為用戶提供了更多的選擇余地，能更深入地反映細(xì)微的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和現(xiàn)象間的差別。除常規(guī)結(jié)構(gòu)梁、殼和實(shí)體外，還可以方便地模擬管道、接頭以及纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

ABAQUS包含了最廣泛的工程材料模型庫，可以有效模擬金屬、橡膠、復(fù)合材料和泡沫等的力學(xué)行為，其中僅描述橡膠的材料模型就有十多種，在材料中還可以考慮彈性、塑性、松弛和蠕變等力學(xué)現(xiàn)象。

這些單元庫和材料庫可以充分滿足機(jī)械行業(yè)各種不同類型問題的分析要求。

3.多物理場分析

除靜力和動(dòng)力分析功能之外，ABAQUS還可以處理多物理場耦合問題，如熱固耦合、熱電耦合、電固耦合和聲固耦合等。

ABAQUS具有強(qiáng)大的熱分析功能，可以分析傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流等熱交換方式熱量在介質(zhì)內(nèi)部和介質(zhì)之間的傳播。在此基礎(chǔ)上，ABAQUS可以方便地處理各種順序和完全熱固耦合問題，且分析過程可以綜合考慮熱載荷和機(jī)械載荷的影響。

ABAQUS的聲學(xué)分析功能可以對(duì)航空結(jié)構(gòu)（如輪胎和汽車座艙等的機(jī)械噪聲）進(jìn)行分析，并為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。ABAQUS包括線性聲學(xué)單元/二次聲學(xué)單元、結(jié)構(gòu)-聲學(xué)界面耦合單元/聲學(xué)無限單元。ABAQUS還包含針對(duì)聲學(xué)問題的特殊邊界條件，如各種反射邊界條件、平面/圓/橢圓面上的無反射邊界。

強(qiáng)大的多物理場分析功能，為處理各種復(fù)雜的分析問題提供了有力保障。

總之，ABAQUS軟件強(qiáng)大的靜力和動(dòng)力非線性分析功能，使其可以廣泛地應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。它可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)備及其環(huán)境視為一個(gè)大系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)分析，也可以對(duì)系統(tǒng)的某個(gè)局部做細(xì)節(jié)分析，為分析人員提供最大的靈活度，使分析人員可以對(duì)新產(chǎn)品的性能進(jìn)行全方位預(yù)計(jì)，為提高新產(chǎn)品的品質(zhì)提供完整的解決方案。