ABAQUS针对机械行业的解决方案

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当前，CAD技术在机械行业的产品辅助设计中已日趋成熟，为企业带来了巨大变革，但机械制造商却越来越认识到，在工业产品日趋复杂化的今天，在创新创造价值的今天，仅靠CAD很难提高产品性能，从而为自己赢得优势地位。在产品开发过程中，产品的有限元分析越逼近真实，设计水平就越高，而其工业成本就能降低，产品质量就能不断提高，投放市场的速度就能不断加快，最终达到增强市场竞争优势的目的。

/ }; y! x) `1 \9 \美国ABAQUS软件公司成立于1978年，公司100%专注于从事非线性有限元力学分析软件的开发，并始终致力于分析软件的更新、维护以及售后服务，不断吸取最新的分析理论和计算机技术，领导着全世界非线性有限元技术的发展。ABAQUS产品包括以下模块：ABAQUS/CAE、ABAQUS FOR CATIA(前后处理模块)、ABAQUS/Standard(隐式求解器模块)以及ABAQUS/Explicit(显式求解器模块)。ABAQUS软件已被全球工业界广泛接受，并拥有世界最大的非线性力学用户群，目前已成为国际上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件。
2 j; I; X. q- X) K5 t: YABAQUS始终领导着世界非线性CAE领域的发展方向，其作为世界公认的工业标准，覆盖了工程仿真的各个方面，广泛用于航空航天、电子、医疗、耐用品、汽车、国防、石化、能源以及材料工程等各个工业领域。ABAQUS公司在全球范围内一些行业的典型用户，如图1所示。
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图1 ABAQUS典型用户
通过ABAQUS仿真可以帮助工程师在早期设计阶段对产品的设计、制造过程中出现的各种问题进行预测仿真，可解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，缩短了设计周期，提高产品性能、质量，大量节约了资金，赢得市场。
ABAQUS软件的功能可以归纳为线性分析、非线性和瞬态分析和机构分析三部分。
(1)线性静力学、动力学和热传导。包括静强度/刚度、动力学/模态、热力学/声学、金属/复合材料、应力、振动、声场以及压电效应等。
(2)非线性和瞬态分析。包括汽车碰撞、飞机坠毁、电子器件跌落、冲击、损毁、接触、塑性失效、断裂/磨损以及橡胶超弹性等。
' k) O+ R4 t+ Y# y1 q/ F2 X(3)多体动力学分析。包括挖掘机机械臂运动分析、起落架收放、汽车悬架、微机电系统MEMS以及医疗器械等。
在机械行业，ABAQUS能够提供满足各种工程应用的分析功能。从简单线性分析到复杂非线性分析，从多刚体动力学分析到非线性柔性系统的动力学分析，从稳态分析到瞬态分析，ABAQUS软件均能提供完整的分析仿真解决方案。
+ P0 P8 A/ Z& c/ \2 Z' n1 c* O随着工业领域分析需求的不断增长，机械行业对有限元分析技术的需求也在不断发展。目前，机械行业有限元分析面临的两大问题是：对有限元分析新功能需求的不断增长、统一有限元分析平台。
* G" B* ^1 `1 g: M# C( [" ]针对新功能需求的不断增长，ABAQUS一直保持强大的研发队伍进行产品研发，不断进行创新，满足不断增长的分析需求。具体的方法革新体现在以下各个方面。
+ X5 P9 ?! B" _9 `- A1.技术创新
. M% O3 ?& A- T: E& n% M7 P许多有限元技术方法基于过时的假设和当时硬件条件的约束，现在急需改进。传统的线性方法不能充分捕捉到真实世界的响应。随着仿真方法的不断成熟，对有限元技术创新的需求就更加急迫。高阶修正的四面体单元、稳态滚动的轮胎、非线性柔性机构、粘接单元和直接求解循环热载荷等，都是ABAQUS技术创新的见证。高阶四面体在发动机设计中的应用，如图2所示。

3 n4 [0 {) s  Q图2 高阶四面体在发动机设计中的应用
4 S. `$ g: c# a% q0 Y. }- C  I2.性能提升
新材料、竞争压力和高速廉价的分布式计算条件不断驱动仿真性能的提升。通过改进算法，适应硬件技术的飞速发展，提升软件的计算性能，缩短仿真计算时间，为产品设计赢得更多时间。分布式并行计算效率图，如图3所示。

) P& h+ M' @+ `图3 分布式并行计算效率图
& X+ _3 q6 {" o2 t" ^4 m- m) b3.过程自动化
ABAQUS通过开放的系统，允许用户对特定需求和分析流程进行二次开发，通过二次开发实现分析过程自动化。可以对重复性的工作进行定制，以帮助用户进一步提高工作效率。HONDA无级变速器过程自动化的分析界面，如图4所示。
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. |# p7 w% w6 ^2 h图4 HONDA无级变速器过程自动化分析界面
4.PLM系统集成
新产品AFC(ABAQUS For CATIA)，将ABAQUS的非线性高级有限元分析功能集成于CATIA环境，实现了CAD与CAE的关联，即CAD模型的修改将自动传递到CAE模型，进而减少修改模型时间、提高工作效率，使设计工程师在产品设计初期，就可以发现设计缺陷，缩短产品设计时间。AFC在BOING787客机复合材料机身设计中的应用，如图5所示。

图5 AFC在设计中的应用
' G, Z) P! g. E/ P7 `4 d由于历史原因，不同类型的问题（如静力学或动力学问题、线性或非线性问题），企业会采用不同的有限元平台进行仿真计算。但是，不同平台之间的数据交换，经常造成计算数据的丢失或重复建模等麻烦。另外，CAE分析人员的培训和分析平台的维护也都会对工作效率造成影响。因此，统一的仿真分析平台是针对该问题的最佳解决方案。ABAQUS在统一分析平台下，避免了数据丢失和重复建模等问题，节省了用户的分析人力资源。
ABAQUS产品的如下特点，使它可以通过统一的有限元分析平台，完成用户多方位的仿真需求。
/ A0 S7 Z0 i# n3 o/ V1.隐式和显式求解器模块的完美结合
由于ABAQUS/Standard（隐式求解器）、ABAQUS/Explicit（显式求解器）同为ABAQUS公司的产品，它们之间的数据传递非常方便，单元类型、材料和命名一致，用户可以很方便地进行两种求解方法的转化和联合运算。ABAQUS/CAE（前后处理模块）还可以很方便地让用户对同一有限元模型进行两个求解器之间的切换，并保留已经定义好的载荷、边界条件以及接触等属性，使用户可以用不同算法对同一问题进行比较、研究，确保问题求解的准确性。
现代汽车公司利用统一的有限元模型和ABAQUS的隐式、显式求解器对驾驶员座舱进行自然频率分析、仪表板蠕变分析和头部碰撞分析等，如图6所示。

3 ~1 S3 t  [8 e图6 ABAQUS在现代汽车公司的应用
2.丰富的单元库和材料库
ABAQUS具有丰富的单元库，包含超过500种单元。这为用户提供了更多的选择余地，能更深入地反映细微的结构现象和现象间的差别。除常规结构梁、壳和实体外，还可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为。
5 N4 Y4 F' T' i; FABAQUS包含了最广泛的工程材料模型库，可以有效模拟金属、橡胶、复合材料和泡沫等的力学行为，其中仅描述橡胶的材料模型就有十多种，在材料中还可以考虑弹性、塑性、松弛和蠕变等力学现象。
这些单元库和材料库可以充分满足机械行业各种不同类型问题的分析要求。
* I( M; D- f/ j+ e8 q5 U0 H+ [3.多物理场分析
除静力和动力分析功能之外，ABAQUS还可以处理多物理场耦合问题，如热固耦合、热电耦合、电固耦合和声固耦合等。
% P- d4 R( a4 Q  ^8 J. R+ l* ^ABAQUS具有强大的热分析功能，可以分析传导、辐射和对流等热交换方式热量在介质内部和介质之间的传播。在此基础上，ABAQUS可以方便地处理各种顺序和完全热固耦合问题，且分析过程可以综合考虑热载荷和机械载荷的影响。
6 k; u% y& Y+ A  H+ hABAQUS的声学分析功能可以对航空结构（如轮胎和汽车座舱等的机械噪声）进行分析，并为结构的优化设计提供依据。ABAQUS包括线性声学单元/二次声学单元、结构-声学界面耦合单元/声学无限单元。ABAQUS还包含针对声学问题的特殊边界条件，如各种反射边界条件、平面/圆/椭圆面上的无反射边界。
强大的多物理场分析功能，为处理各种复杂的分析问题提供了有力保障。
" \+ c6 e! s$ J$ v! [总之，ABAQUS软件强大的静力和动力非线性分析功能，使其可以广泛地应用于机械行业的各个领域。它可以将机械结构、设备及其环境视为一个大系统，进行系统级结构分析，也可以对系统的某个局部做细节分析，为分析人员提供最大的灵活度，使分析人员可以对新产品的性能进行全方位预计，为提高新产品的品质提供完整的解决方案。
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