ABAQUS針對機械行業(yè)的解決方案

    當前，CAD技術在機械行業(yè)的產(chǎn)品輔助設計中已日趨成熟，為企業(yè)帶來了巨大變革，但機械制造商卻越來越認識到，在工業(yè)產(chǎn)品日趨復雜化的今天，在創(chuàng)新創(chuàng)造價值的今天，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，設計水平就越高，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，最終達到增強市場競爭優(yōu)勢的目的。

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分析軟件的開發(fā)，并始終致力于分析軟件的更新、維護以及售后服務，不斷吸取最新的分析理論和計算機技術，領導著全世界非線性有限元技術的發(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用戶群，目前已成為國際上最先進的大型通用非線性有限元力學分析軟件。

ABAQUS始終領導著世界非線性CAE領域的發(fā)展方向，其作為世界公認的工業(yè)標準，覆蓋了工程仿真的各個方面，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工業(yè)領域。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計階段對產(chǎn)品的設計、制造過程中出現(xiàn)的各種問題進行預測仿真，可解決從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題，縮短了設計周期，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)分析和機構(gòu)分析三部分。

(1)線性靜力學、動力學和熱傳導。包括靜強度/剛度、動力學/模態(tài)、熱力學/聲學、金屬/復合材料、應力、振動、聲場以及壓電效應等。

(2)非線性和瞬態(tài)分析。包括汽車碰撞、飛機墜毀、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)多體動力學分析。包括挖掘機機械臂運動分析、起落架收放、汽車懸架、微機電系統(tǒng)MEMS以及醫(yī)療器械等。

在機械行業(yè)，ABAQUS能夠提供滿足各種工程應用的分析功能。從簡單線性分析到復雜非線性分析，從多剛體動力學分析到非線性柔性系統(tǒng)的動力學分析，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)領域分析需求的不斷增長，機械行業(yè)對有限元分析技術的需求也在不斷發(fā)展。目前，機械行業(yè)有限元分析面臨的兩大問題是：對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。

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

1.技術創(chuàng)新

許多有限元技術方法基于過時的假設和當時硬件條件的約束，現(xiàn)在急需改進。傳統(tǒng)的線性方法不能充分捕捉到真實世界的響應。隨著仿真方法的不斷成熟，對有限元技術創(chuàng)新的需求就更加急迫。高階修正的四面體單元、穩(wěn)態(tài)滾動的輪胎、非線性柔性機構(gòu)、粘接單元和直接求解循環(huán)熱載荷等，都是ABAQUS技術創(chuàng)新的見證。高階四面體在發(fā)動機設計中的應用，如圖2所示。

圖2 高階四面體在發(fā)動機設計中的應用

2.性能提升

新材料、競爭壓力和高速廉價的分布式計算條件不斷驅(qū)動仿真性能的提升。通過改進算法，適應硬件技術的飛速發(fā)展，提升軟件的計算性能，縮短仿真計算時間，為產(chǎn)品設計贏得更多時間。分布式并行計算效率圖，如圖3所示。

圖3 分布式并行計算效率圖

3.過程自動化

ABAQUS通過開放的系統(tǒng)，允許用戶對特定需求和分析流程進行二次開發(fā)，通過二次開發(fā)實現(xiàn)分析過程自動化。可以對重復性的工作進行定制，以幫助用戶進一步提高工作效率。HONDA無級變速器過程自動化的分析界面，如圖4所示。

圖4 HONDA無級變速器過程自動化分析界面

4.PLM系統(tǒng)集成

新產(chǎn)品AFC(ABAQUS For CATIA)，將ABAQUS的非線性高級有限元分析功能集成于CATIA環(huán)境，實現(xiàn)了CAD與CAE的關聯(lián)，即CAD模型的修改將自動傳遞到CAE模型，進而減少修改模型時間、提高工作效率，使設計工程師在產(chǎn)品設計初期，就可以發(fā)現(xiàn)設計缺陷，縮短產(chǎn)品設計時間。AFC在BOING787客機復合材料機身設計中的應用，如圖5所示。

圖5 AFC在設計中的應用

由于歷史原因，不同類型的問題（如靜力學或動力學問題、線性或非線性問題），企業(yè)會采用不同的有限元平臺進行仿真計算。但是，不同平臺之間的數(shù)據(jù)交換，經(jīng)常造成計算數(shù)據(jù)的丟失或重復建模等麻煩。另外，CAE分析人員的培訓和分析平臺的維護也都會對工作效率造成影響。因此，統(tǒng)一的仿真分析平臺是針對該問題的最佳解決方案。ABAQUS在統(tǒng)一分析平臺下，避免了數(shù)據(jù)丟失和重復建模等問題，節(jié)省了用戶的分析人力資源。

ABAQUS產(chǎn)品的如下特點，使它可以通過統(tǒng)一的有限元分析平臺，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行兩種求解方法的轉(zhuǎn)化和聯(lián)合運算。ABAQUS/CAE（前后處理模塊）還可以很方便地讓用戶對同一有限元模型進行兩個求解器之間的切換，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同一問題進行比較、研究，確保問題求解的準確性。

現(xiàn)代汽車公司利用統(tǒng)一的有限元模型和ABAQUS的隱式、顯式求解器對駕駛員座艙進行自然頻率分析、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、殼和實體外，還可以方便地模擬管道、接頭以及纖維加強結(jié)構(gòu)等實際結(jié)構(gòu)的力學行為。

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、復合材料和泡沫等的力學行為，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、松弛和蠕變等力學現(xiàn)象。

這些單元庫和材料庫可以充分滿足機械行業(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具有強大的熱分析功能，可以分析傳導、輻射和對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械載荷的影響。

ABAQUS的聲學分析功能可以對航空結(jié)構(gòu)（如輪胎和汽車座艙等的機械噪聲）進行分析，并為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供依據(jù)。ABAQUS包括線性聲學單元/二次聲學單元、結(jié)構(gòu)-聲學界面耦合單元/聲學無限單元。ABAQUS還包含針對聲學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。

強大的多物理場分析功能，為處理各種復雜的分析問題提供了有力保障。

總之，ABAQUS軟件強大的靜力和動力非線性分析功能，使其可以廣泛地應用于機械行業(yè)的各個領域。它可以將機械結(jié)構(gòu)、設備及其環(huán)境視為一個大系統(tǒng)，進行系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)分析，也可以對系統(tǒng)的某個局部做細節(jié)分析，為分析人員提供最大的靈活度，使分析人員可以對新產(chǎn)品的性能進行全方位預計，為提高新產(chǎn)品的品質(zhì)提供完整的解決方案。