基于ABAQUS驅(qū)動(dòng)工程力學(xué)課程多樣性探索

王鐸 蔣國(guó)平 楊拴強(qiáng)

摘要：將有限元分析軟件ABAQUS與工程力學(xué)相結(jié)合，能有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解課程中的理論知識(shí)與計(jì)算問(wèn)題，有限元分析使力學(xué)問(wèn)題由抽象變成具體，模擬動(dòng)畫(huà)仿真形象生動(dòng)，學(xué)生通過(guò)后處理分析更容易理解和掌握相關(guān)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課程趣味性與實(shí)踐性。

Abstract： The combination of the finite element analysis software ABAQUS with engineering mechanics can effectively help students learn and understand the theoretical knowledge and computational problems in the course. Finite element analysis makes the mechanics problem from abstract to concrete， and the simulated animation simulation is vivid. Post-processing analysis make students easier to understand and grasp related issues， inspire students' enthusiasm for learning and improve the interest and practicality of the course.

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；ABAQUS；有限元分析

Key words： engineering mechanics；ABAQUS；finite element analysis

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）19-0286-03

0 引言

工程力學(xué)涉及眾多的力學(xué)學(xué)科分支與廣泛的工程技術(shù)領(lǐng)域，是一門理論性較強(qiáng)、與工程技術(shù)聯(lián)系極為密切的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，工程力學(xué)的定理、定律和結(jié)論廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工程技術(shù)中，是工科類各專業(yè)必不可少的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課中起著承前啟后的作用[1]，也是解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。

目前很多高校對(duì)工程力學(xué)課程講授偏重于理論為主，以多媒體為手段。講授過(guò)程中主要采用公式推導(dǎo)、理論灌輸和習(xí)題講解等方式，使原本抽象的理論變得更加晦澀，這首先引起學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)失去興趣，忽視課堂學(xué)習(xí)的重要性，導(dǎo)致考試前突擊學(xué)習(xí)的普遍現(xiàn)象，等考試結(jié)束即刻遺忘知識(shí)，不利于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。其次，學(xué)生過(guò)于看重分?jǐn)?shù)，忽視動(dòng)手實(shí)踐和知識(shí)拓展，不利于實(shí)操能力的培養(yǎng)。

針對(duì)上述傳統(tǒng)教學(xué)中的現(xiàn)狀，為了培養(yǎng)工科本科生力學(xué)素養(yǎng)和應(yīng)用創(chuàng)新意識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)科縱向聯(lián)合教學(xué)的效果，在工程力學(xué)課程講授中引入ABAQUS有限元分析軟件，將兩者相結(jié)合。這樣既能加深學(xué)生對(duì)基本定理與概念的理解，又能提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)提高教學(xué)效果起到事半功倍的作用。而且這種能力將激發(fā)學(xué)生解決工程實(shí)際的力學(xué)問(wèn)題上不斷探索的欲望[2]。

1 ABAQUS軟件概述

ABAQUS是世界上最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一，具有豐富的材料本構(gòu)模型和平易近人的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它廣泛用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、國(guó)防軍工、水利水電、土木工程、生物工程、電子工程、能源、地礦、造船以及日用家電行業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域[3]。ABAQUS在技術(shù)、品質(zhì)和可靠性等方面具有卓越的聲譽(yù)，可以對(duì)工程復(fù)雜的線性和非線性問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算。自從它進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)、高校和科研院所開(kāi)始使用ABAQUS進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)和研究[4]。其分析過(guò)程包括3個(gè)主要步驟：

第一，前處理部分包括創(chuàng)建模型、定義材料屬性、施加載荷、劃分網(wǎng)格等。

第二，模擬計(jì)算使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，它通常以后臺(tái)方式運(yùn)行[5]。

第三，后處理階段，模擬計(jì)算結(jié)束后可以得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像，用以計(jì)算和評(píng)估計(jì)算結(jié)果，評(píng)估通過(guò)ABAQUS/CAE的可視化模塊或其他后處理軟件在圖形環(huán)境下交互進(jìn)行。包括彩色應(yīng)力應(yīng)變等值線圖、動(dòng)畫(huà)演示、變形圖和X-Y曲線圖等。本文以壓桿屈曲變形為例，介紹應(yīng)用ABAQUS在工程力學(xué)分析中的作用，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力，更好適應(yīng)社會(huì)與企業(yè)的需求。

2 ABAQUS教學(xué)實(shí)例

2.1 建模

壓桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)材料為鋼材，本實(shí)例采用工字形截面鋼，材料參數(shù)為：彈性模量E=206GPa，泊松比ν=0.31，下屈服強(qiáng)度σs=296MPa，密度ρ=7800kg/m3，壓桿長(zhǎng)度l=5m，Q235鋼λP=101，長(zhǎng)度系數(shù)μ=2，壓力FP=200kN。

2.2 施加載荷

在創(chuàng)建載荷對(duì)話框中，類別中選擇“力”；在“可用于所選分析步的類型”中選擇“殼的邊載荷”。在圖形窗口中選擇工字形橫截面的邊線，在“編輯載荷”對(duì)話框中，載荷大小輸入200000N，方向垂直于橫截面，完成載荷設(shè)定。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是將構(gòu)件模型轉(zhuǎn)化為離散的連續(xù)實(shí)體，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的精確度和分析時(shí)間。采用3D四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼，減縮積分，沙漏控制，有限膜應(yīng)變單元類型劃分。

2.4 網(wǎng)絡(luò)檢查

要保證求解不中斷和結(jié)果精確，必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢查。主要進(jìn)行形狀、尺寸和分析檢查。如長(zhǎng)寬比、平均長(zhǎng)寬比、最差長(zhǎng)寬比、最大邊長(zhǎng)等。顯式網(wǎng)格單元數(shù)量232000，分析錯(cuò)誤：0（0%），分析警告：0（0%）時(shí)，可進(jìn)入下一步作業(yè)分析，如果分析錯(cuò)誤和分析警告不為零，要重新劃分網(wǎng)格或做局部細(xì)化調(diào)整。

2.5 作業(yè)分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行求解。以INP文件形式輸入ABAQUS Standard/ABAQUS Explicit中，在Job模塊中實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算?？稍贘ob模塊中交互式地提交作業(yè)、進(jìn)行分析并監(jiān)控其分析過(guò)程，待求解完成后點(diǎn)擊“結(jié)果”按鈕，進(jìn)入可視化模塊。

2.6 后處理分析

后處理提供了有限元模型的圖形和分析結(jié)果的圖形?？蓮妮敵鰯?shù)據(jù)中獲得模型和結(jié)果信息[6]。后處理使用云圖或X-Y圖表顯示結(jié)果，其結(jié)果類型包括變形、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、矢量/張量、材料方向、動(dòng)畫(huà)等。在應(yīng)力云圖中（如圖3所示），工字梁中間部位應(yīng)力最大，應(yīng)力從壓桿中部向曲桿兩端逐漸減小。在壓桿屈曲變形向量圖中（如圖4所示），向量紅色區(qū)域箭頭方向表示壓桿變形位移方向，在壓桿中間部位位移最大，發(fā)生彈性屈曲變形。

2.7 理論計(jì)算求解與模型分析結(jié)果對(duì)比

下面通過(guò)理論計(jì)算來(lái)求解壓桿變形情況。

解：分析計(jì)算：

判定由工字鋼橫截面尺寸，計(jì)算慣性距IZ和橫截面面積A。

得：IZ=34889833mm4，A=5020mm2，取柔度λ=120>101（Q235鋼柔度λP），所以模型為大柔度桿，采用歐拉公式計(jì)算臨界載荷。

Fpcr=708.77kN，F(xiàn)P=200kN，得：Fpcr>FP。

所以，理論計(jì)算表明，壓桿發(fā)生彈性屈曲變形，這與ABAQQUS模型分析結(jié)果一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用ABAQUS有限元模型仿真分析拓展工程力學(xué)教學(xué)的可視性、實(shí)踐性和趣味性，通過(guò)前處理、求解分析和后處理過(guò)程解算出模型的屈曲變形情況，并將分析結(jié)果進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真，呈現(xiàn)壓桿屈曲變形的具體過(guò)程。有效提升學(xué)生對(duì)工程力學(xué)理論的學(xué)習(xí)興趣，改善學(xué)習(xí)氛圍，相比于實(shí)際的力學(xué)推導(dǎo)效率更高。同時(shí)學(xué)生掌握更多分析解決問(wèn)題的技能，為后期在企業(yè)工作中的實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供很多便利條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮錫蘭，等.工程力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012，6.

[2]谷俊斌，賈宏玉.ANSYS軟件在工程力學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)冶金教育，2013（3）：9-11.

[3]莊茁，由小川，岑松，等.基于ABAQUS的有限元分析應(yīng)用[M.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4]王玉鐲，傅傳國(guó).ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010，3（1）：3-4.

[5]王國(guó)梁.ABAQUS GUI二次開(kāi)發(fā)技術(shù)在材料領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[J].蘭州理工大學(xué)，2009，6：16-17.

[6]齊威，等.ABAQUS 6.14超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2016，6：136-137.