Abaqus有限元分析实例解析——在棒中的应力波传播（一）

本例题展示了在“ABAQUS基础”中所描述过的显式动态分析的一些基本思想。它也描述了稳定极限，以及在求解时网格细划和材料的影响。

棒的尺寸如图9-1所示。

为了使问题成为一个一维的应变问题，所有四个侧面均由滚轴支撑；这样，三维模型模拟了一个一维问题。材料为钢材，其性质如图9-1所示。棒的自由端承受一个量级为1.0×10⁵ Pa的爆炸载荷，如图9-2所示，爆炸载荷的持续时间为3.88×10^-5 s。

9.4.1 前处理——用ABAQUS/CAE创建模型

在这一节中，我们将讨论如何应用ABAQUS/CAE创建这个模拟所用的模型。在本手册的在线文档第A.7节“Stress wave propagation in a bar”提供了输入文件。当通过ABAQUS/CAE运行这个输入文件时，将创建关于该问题的完整的分析模型。根据下面给出的指导如果你遇到困难，或者如果你希望检查你的工作，则可以运行这个输入文件。在附录A“Example Files”中，给出了如何提取和运行输入文件的指导。

如果你没有进入ABAQUS/CAE或者其它的前处理器，可以人工创建关于这个问题的输入文件，关于这方面的讨论，见Getting Started with ABAQUS/Standard：Keywords Version，第3.4节“Example：stress wave propagation in a bar”。

定义模型几何

在这个例子中，应用可拉伸实体的基本特征，将创建一个三维的可变形物体。首先画一个棒的二维轮廓图然后将它拉伸成型。

创建部件：

1．在Create Part对话框中，创建一个部件并命名为Bar，接受三维的变形体和可拉伸实体的基本特征的默认设置，对于模型采用近似的尺寸为0.50。

2．应用在图9-3中给出的尺寸画棒的横截面。

可以采用如下的步骤：

a. 应用位于画图工具箱右上角的Create Lines: Connected工具创建一个0.20 m高×0.20 m宽的矩形。

b. 当完成绘制轮廓图后，在提示区点击Done。

显示Edit Base Extrusion（编辑基础拉伸）对话框。为了完成部件定义，你必须指定横截面拉伸的距离。

c. 在对话框中，输入拉伸深度1.0 m。

3．将模型保存到名为Bar.cae的模型数据库文件中。

定义材料和截面性质

创建一个单一线弹性材料，命名为Steel，采用密度7800 kg/m³，杨氏模量为207E9 Pa和泊松比0.3。

创建一个均匀的实体截面定义，命名为BarSection，接受Steel作为材料，接受Plane stress/strain thickness为1。

将截面定义BarSection赋予整个部件。

创建装配件

进入Assembly模块，并创建一个部件Bar的实体。模型按照默认方向放置，整体的3轴位于棒的长度方向。

创建几何集合和面

创建几何集合TOP、BOT、FRONT、BACK、FIX和OUT，如图9-4所示（集合OUT包含楞边，在图9-4中如黑粗线所示）。创建面命名LOAD，如图9-5所示。这些区域将用于施加载荷和边界条件，以及定义需要的输出变量。

定义分析步

创建一个单一的动态、显式分析步，命名为BlastLoad。键入Apply pressure load pulse作为分析步的描述，并设置Time period为2.0E-4 s。在Edit Step对话框中，点击Other页。为了保持应力波尽可能的尖锐，将Quadrastic bulk viscosity parameter（二次体积粘性参数，将在第9.5.1节“体积粘性”中讨论）设置为0。

设置输出要求

编辑默认的场变量输出要求，这样在分析步BlastLoad中，将预先选择的场变量数据以四个相等的空间间隔写入输出数据库。

删除已存在的默认的历史变量输出请求，而创建一个新的历史变量输出请求的集合。在Create History Output（创建历史变量输出）对话框中，接受默认的名称H-Output-1和选择的分析步BlastLoad，点击Continue。点击在Domain（范围）选项框旁边的箭头，选择Set name（集合名称），然后选择OUT。在Output Varables（输出变量）列表中，点击在Stresses左边的三角形，点击在S, Stress components and invariants（应力分量与不变量）左边的三角形，并选中S33变量，它是在棒的轴向的应力分量，指定在每1.0E-6 s保存一次输出。

定义边界条件

创建一个边界条件，命名为Fix right end，并在所有三个方向上约束棒的右端面（几何集合FIX）（见图9-1）。创建其他的边界条件，在这些面的法线方向约束顶面、底面、前面和后面（集合FRONT和BACK为1方向，集合TOP和BOT为2方向）。

定义载荷历史

爆炸载荷将以它的最大值瞬时地施加并保持为常数，持续时间为3.88×10^-5 s。然后载荷突然全部去除并保持为零值。创建一个幅值定义，命名为Blast，采用在图9-6中所示的数据。在本问题中在任意给定时刻的压力载荷值是指压力载荷的给定量级乘以由幅值曲线插值的值。

创建压力载荷，命名为Blast load，并选择BlastLoad作为载荷施加的分析步。将载荷施加在LOAD面上。选择Uniform（均匀）分布，指定值为1.0E5 Pa作为载荷量级，并选择幅值为Blast。

创建网格

利用材料性质（忽略了泊松比），我们可以应用前面介绍的公式计算材料的波速

我们感兴趣的是随着时间应力沿着棒长度方向的传播；所以，需要一个足够精细的网格来精确捕捉应力波。看起来使爆炸载荷发生在10个单元的跨度内是适合的。因为爆炸是持续了3.88×10^-5 s，这意味着我们希望爆炸持续时间乘以波速等于10个单元的长度：

波以这个速度在1.94×10^-4 s时通过棒的固定端。10个单元的长度为0.2 m。因为棒的长度为1.0 m，这意味着我们要在长度方向上划分50个单元。为了保持网格均匀，在每个横向上也划分了10个单元，使得网格为50×10×10，这个网格如图9-7所示。

我们使用整体单元尺寸0.02为播撒种子的目标。选择C3D8R作为单元类型，并剖分网格。

创建、运行和监控作业

创建一个作业，命名为Bar，并键入Stress wave propagation in a bar (SI units) 作为作业的描述。提交作业，并监控分析结果。如果遇到了任何错误，必须修改模型和重新运行模拟。必须调查任何警告信息的来源和采取适当的措施；回顾到某些警告信息可以安全地忽略，而其他的警告信息需要采取纠正的措施。

状态文件（.sta）

你也可以观察状态文件Bar.sta来监控作业的进程，其中的信息包括关于惯性矩，接着是关注稳定极限的信息。按照顺序列出了10个具有最低稳定时间极
限的单元。

在状态文件中继续给出求解过程的信息。下面的信息也显示在Job Monitor 中。

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