1 - 2003

ABAQUS — многоцелевой конечно-элементный комплекс для инженерного анализа

Сергей Рыжов

Отличительные особенности ABAQUS

Основные модули ABAQUS

Основные возможности ABAQUS

Материалы

Геометрия

Кинематика

Предписанные условия

Взаимодействия

Дополнительные возможности анализа

Аппаратные средства и производительность

Почему ABAQUS?

На российском рынке CAE-решений сложилась парадоксальная ситуация: самый популярный и мощный продукт расчета прочности в мире — ABAQUS практически неизвестен в России, а его широчайшие возможности знакомы только узкому кругу специалистов. Целью настоящей статьи является ознакомление инженеров, конструкторов, проектировщиков и технологов с возможностями CAE-программы ABAQUS.

Программный конечно-элементный комплекс ABAQUS — универсальная система общего назначения, предназначенная как для проведения многоцелевого инженерного многодисциплинарного анализа, так и для научно-исследовательских и учебных целей в самых разных сферах деятельности, в числе которых:

  • автомобилестроение (компании BMW, FORD, General Motors, Mercedes, Toyota, Volvo, GoodYear);
  • авиастроение и оборонная промышленность (General Dynamics, Lockheed Martin, US Navy, Boeing);
  • электроника (HP, Motorola, IBM, Digital);
  • металлургия (British Steel, Dupont);
  • производство электроэнергии (ABB, AEA Technology, EPRI, «Атомэнергопроект»);
  • нефтедобыча и переработка (Exxon/Mobil, Shell, Dow);
  • производство товаров народного потребления (3M, Kodak, Gillette);
  • общая механика и геомеханика (GeoConsult, ISMES, «Гидропроект»).

С помощью комплекса ABAQUS можно решать такие сложные задачи, как расчет прочности турбомашин и проектирование двигательных установок, анализировать работу шасси и трансмиссий, определять поведение шин, рассчитывать сварные соединения, проводить анализ аварийных столкновений (краш-тесты), осуществлять тесты на падение, моделировать сверхпластическое формирование, литье металлов, пробивание материала, выполнять расчеты композиционных структур, учитывать контактное взаимодействие большого числа тел и самоконтакт, сейсмические воздействия, взрывные воздействия, проводить расчеты надежности ядерных реакторов, анализ прочности электронных компонентов и т.д.

В этой статье, открывающей цикл публикаций о возможностях ABAQUS, излагаются основы программного комплекса ABAQUS, а также рассматриваются вопросы эффективного применения данного продукта на всех стадиях производства.

Отличительные особенности ABAQUS

Программный комплекс ABAQUS изначально был ориентирован на решение самых сложных и ответственных задач, с учетом всех видов нелинейностей, а также на проведение многодисциплинарного статического и динамического анализа в рамках единого алгоритма. Такая концепция выгодно отличает ABAQUS от других программ подобного уровня (программный комплекс ANSYS для анализа сильно нелинейных и быстротекущих процессов использует стороннюю программу LS-DYNA), что позволяет с помощью ABAQUS в рамках единого подхода решать многоцелевые задачи, сочетая преимущества явной и неявной схем конечно-элементного анализа и их комбинацию.

Одной из важнейших особенностей программного комплекса ABAQUS является его универсальность. Данный пакет может использоваться на всех этапах проектирования и создания современных изделий и практически всеми расчетными, проектными и технологическими службами предприятия. Это, несомненно, один из серьезных критериев при решении вопроса о покупке данного программного комплекса.

ABAQUS предлагает открытый подход к решению сложных проблем и предоставляет неограниченные возможности по подключению пользовательских программ на всех этапах расчета конкретной задачи. Необходимо также отметить надежность программного комплекса ABAQUS. Строгий контроль за сходимостью решений исследуемых процессов, автоматический выбор шага интегрирования, мониторинг задачи на всех этапах расчета, многочисленные функции контроля.

ABAQUS тесно интегрирован практически со всеми CAD-системами, имеет собственный мощный современный препостпроцессор ABAQUS/CAE. Возможна и связь через интерфейсы с другими программными продуктами, такими как ADAMS (кинематика и динамика узлов и механизмов), SYSNOISE (акустика и виброакустика), Moldflow (литье пластмасс) и FlowVision (аэро- и гидродинамика).

Программный комплекс ABAQUS доступен на всех стандартных платформах — от персональных компьютеров с Windows NT/2000/XP до рабочих станций под UNIX и суперкомпьютеров.

ABAQUS удовлетворяет стандарту качества ISO 9001 и стандарту качества, установленному Американской ядерной контрольной комиссией для проверки качества проектирования ядерных силовых установок (ANSI/ASME NQA-1, 1983).

В начало В начало

Основные модули ABAQUS

Программный комплекс ABAQUS разработан по модульному принципу и состоит из двух основных модулей-решателей (солверов) — ABAQUS/Standard и ABAQUS/Explicit, препостроцессора ABAQUS/CAE и из дополнительных модулей, учитывающих особенности специфических проблем — ABAQUS/Aqua, ABAQUS/Design, ABAQUS/Safe:

  • ABAQUS/Standard — один из двух основных решателей программного комплекса ABAQUS, использующий неявную формулировку метода конечных элементов и позволяющий использовать различные методы анализа во временной и частотной области;
  • ABAQUS/Explicit — модуль анализа сильно нелинейных переходных динамических процессов, использующий явную схему интегрирования метода конечных элементов. Модуль полностью векторизован, что позволяет использовать параллельные компьютерные системы наилучшим образом. Мощные возможности этого модуля по моделированию контакта, достоверность и вычислительная эффективность для очень больших моделей позволяют эффективно применять его для квазистатических приложений, включающих нелинейное поведение;
  • ABAQUS/CAE — графическая оболочка для моделирования, управления и мониторинга задач ABAQUS, а также для визуализации результатов расчета ABAQUS. Возможности по визуализации результатов ABAQUS/CAE также доступны в виде отдельного модуля ABAQUS/Viewer;
  • ABAQUS/Design — дополнительный модуль к ABAQUS/Standard, позволяющий анализировать чувствительность к изменению параметров конструкции и проводить оптимизацию;
  • ABAQUS/Aqua — дополнительный модуль к ABAQUS/Standard, который позволяет анализировать нагрузки на кабели, трубопроводы и ферменные конструкции, погруженные в воду;
  • ABAQUS/Safe — этот модуль использует результаты расчета ABAQUS для анализа усталостной прочности;
  • ABAQUS/ADAMS — служит для экспорта результатов из ABAQUS в ADAMS/Flex;
  • ABAQUS/CAT — этот интерфейс позволяет готовить модели и просматривать результаты ABAQUS непосредственно в CATIA;
  • ABAQUS/MOLDFLOW — данный интерфейс транслирует информацию из MOLDFLOW для создания конечно-элементной модели ABAQUS.
В начало В начало

Основные возможности ABAQUS

ABAQUS позволяет использовать различные методы анализа во временной и частотной области. Эти методы разделяются на два класса: обобщенные типы анализа (в которых задача может быть линейной или нелинейной) и линеаризованный анализ (в котором линейный отклик модели рассчитывается относительно общего — возможно, нелинейного — исходного состояния). Один расчет может включать различные типы анализов:

  • статический анализ напряжений/перемещений;
  • вязкоупругий/вязкопластический отклик;
  • переходный динамический анализ напряжений/перемещений;
  • переходной или установившийся анализ теплопередачи;
  • переходной или установившийся анализ диффузии массы;
  • сопряженные задачи:
    • - тепло — механика (последовательное или полностью сопряженное решение),
    • - тепло — электричество,
    • - поток в пористой среде — механика,
    • - напряжения — диффузия массы (последовательно сопряженное решение),
    • - пьезоэлектрика,
    • - акустика — вибрации;
  • линеаризованный анализ;
  • статический анализ напряжений/перемещений:
    • - линейный статический анализ напряжений/перемещений,
    • - критические значения параметра нагрузки и формы потери устойчивости;
  • динамический анализ напряжений/перемещений:
    • - определение собственных форм и частот,
    • - отклик переходного процесса методом синтеза форм,
    • - гармонический отклик,
    • - спектр отклика,
    • - случайные вибрации.
В начало В начало

Материалы

Математические модели свойств материалов позволяют описывать металлы, чугун, резину, пластмассы, композиционные материалы, упругие и хрупкие пены, бетон, песок и глину, причем отклик материала для каждой из этих моделей может быть нелинейным. Предусмотрены линейные и нелинейные упругие, упругопластические и упруговязкопластические закономерности. Могут быть смоделированы как изотропные, так и анизотропные материалы, а также созданы материалы, определенные пользователем с помощью подпрограмм.

В начало В начало

Геометрия

Возможно промоделировать как конструкцию, так и сплошную среду. Предусмотрены одно-, двух- и трехмерные элементы, а также балки, мембраны и оболочки. Балочные и оболочечные элементы базируются на современной дискретной теории Кирхгофа, или теории, учитывающей изгибные и сдвиговые деформации, и являются очень эффективными с точки зрения вычислительных ресурсов. Оболочечные элементы предусматривают анализ теплопередачи и анализ напряжений, что позволяет использовать их для анализа оболочечных конструкций, подвергающихся тепловым нагрузкам. ABAQUS является модульной программой, вследствие чего любую комбинацию элементов, каждая из которых может содержать любую возможную модель материала, можно использовать в различных типах анализа.

В начало В начало

Кинематика

Все элементы в ABAQUS (за исключением некоторых элементов специального назначения) обеспечивают точное моделирование всех значений перемещений, вращений и деформаций.

В начало В начало

Предписанные условия

Граничные условия могут включать в себя предписанные кинематические условия (закрепления в одной точке или многоточечные связи) и предписанное состояние основания. Условия нагружения могут включать сосредоточенные силы, распределенную нагрузку и тепловое нагружение. Специальные средства для описания сил, действующих на компоненты сборки, дают возможность вводить непосредственно в модель нагрузки от болтов и других крепежных деталей. Силовые эффекты следящей нагрузки, такие как давление, центробежные и кориолисовы силы, могут быть использованы там, где это необходимо. Возможно также задание нагрузок и граничных условий для описания давления в порах и электрического напряжения. Могут быть заданы начальные условия для температур, скоростей, напряжений и других полей.

В начало В начало

Взаимодействия

С помощью ABAQUS можно моделировать различные взаимодействия между телами, включая контакт между поверхностями, с трением или без него. Имеется возможность полностью сопряженного контактного термомеханического анализа, где учитываются и теплопередача через пятно контакта, и механическое взаимодействие между телами; причем тепловое сопротивление зоны контакта может зависеть от давления между контактирующими поверхностями или от механического разделения поверхностей. Возможно использование элементов акустического интерфейса с целью объединения модели конструкции и модели акустической среды для динамического и вибрационного анализа. Также можно моделировать контактное взаимодействие для объединенных расчетов течения в пористой среде и напряжения, тепла и электричества.

В начало В начало

Дополнительные возможности анализа

Комбинация всех видов анализа в одном пакете ABAQUS/Standard и ABAQUS/Explicit позволяет решать следующие задачи:

  • механика разрушения конструкций;
  • удаление и добавление материала;
  • повторный запуск анализа из промежуточного состояния;
  • суперэлементы и подконструкции;
  • субмоделирование;
  • параметризация и параметризованные расчеты.
В начало В начало

Аппаратные средства и производительность

ABAQUS написан на языках Fortran, C и C++, что позволяет использовать его на большинстве стандартных компьютеров. Коды поддерживают полную двойную и полную одинарную точность в зависимости от типа компьютера. ABAQUS/CAE поддерживает стандартные графические дисплеи и графопостроители. ABAQUS не имеет внутренних ограничений по объему задачи.

В начало В начало

Почему ABAQUS?

Внедрение любой системы на предприятии предполагает ее эффективное использование в целях увеличения прибыльности и снижения себестоимости продукции. В этом смысле ABAQUS представляет собой наилучший выбор по целому ряду причин:

  • ABAQUS является программой общего назначения с широкими возможностями как линейного, так и нелинейного анализа;
  • снижаются затраты на обучение по сравнению с обучением нескольким программным продуктам;
  • полная поддержка и обновление версий гарантирует пользователю эффективное использование программы и возможность экспертной помощи в сложных задачах;
  • вследствие возможности использования независимой библиотеки материалов и элементов любые материалы могут быть использованы в любых элементах, причем без ограничений по количеству материалов и элементов;
  • автоматическое определение приращения по времени на всех стадиях проведения расчетов и автоматический выбор критерия сходимости обеспечивают высокую надежность сходимости решения даже в самых сложных нелинейных задачах;
  • схемы решения уравнений в ABAQUS являются высокоэффективными и настроены на повышение их возможностей в широком диапазоне используемых систем компьютеров;
  • несколько типов анализа могут быть одновременно реализованы в одном расчете;
  • ABAQUS включает проверенную библиотеку современных элементов для высокой эффективности и точности вычислений. Все элементы пригодны для линейного или нелинейного анализа;
  • гибкие возможности рестарта обеспечивают защиту против внезапной аварийной остановки расчета;
  • пользовательские подпрограммы дают дополнительную гибкость в случае применения в продвинутых приложениях;
  • ABAQUS имеет большую всемирную базу клиентов и постоянно интенсивно используется при решении широкого спектра задач;
  • ABAQUS и связанная с ним поддержка разработаны для проведения сложных линейных и нелинейных расчетов с легкостью и надежностью;
  • ABAQUS снабжен документацией в электронном виде, в которой можно найти ответ на любой вопрос.

Разработка ABAQUS началась еще в 70-х годах и ведется по сей день. Новые версии ABAQUS выходят не реже одного раза в два года. Текущая версия ABAQUS — 6.3.

Общность подходов, простота использования, полная и понятная документация, достоверность получаемых результатов, надежная поддержка пользователей — все это делает ABAQUS прекрасным выбором для инженерного анализа на самых разных предприятиях. Высокое качество и возможность решения сложных задач обеспечивают программному комплексу ABAQUS лидирующее положение на мировом рынке. В настоящее время ABAQUS — это один из ведущих и общепризнанных программных CAE-продуктов универсального назначения.

***

Компания «ТЕСИС» является официальным дистрибьютором программы ABAQUS на территории России, Украины и Белоруссии, осуществляет техническую поддержку и обучение основам работы с ABAQUS и проводит работы на заказ с использованием ABAQUS. Компания «ТЕСИС» предлагает работы по системной интеграции расчетных продуктов, техническому обслуживанию, обучению и консультированию пользователей.

Кроме того, «ТЕСИС» предлагает предприятиям разработку и внедрение самых передовых промышленных технологий, причем не только зарубежные программные продукты, но и собственные разработки. Квалификация и опыт сотрудников компании позволяют проводить сложные расчетные и технологические работы.

«САПР и графика» 1'2003