计算机辅助工程（CAE）的发展及应用

3.2ABAQUS的主要模块

    有限元分析通常包括以下3个步骤：前处理、分析计算和后处理。ABAQUS主要包括以下模块：

1）前处理和后处理

    ABAQUS/CAE全面支持求解器的前后处理：采用现代CAD系统普遍采用的基于“特征”的参数化建模方法，方便快捷地构造模型；为部件定义材料特征、载荷、边界条件等模型参数；具有强大的网格划分功能，并可检验所构造的分析模型，提交、监视和控制分析作业。ABAQUS/CAE的后处理部分又称为ABAQUS/Viewer，分析完成后使用后处理模块读入分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云纹图、动画、变形图和XY曲线图等。

2）主求解器模块

    ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit是ABAQUS的两个主求解器模块：前者能够求解广泛领域的线性和非线性问题，在每一个求解增量步中隐式地求解方程组，对各种大规模计算问题都能十分可靠地快速求解；后者可以进行显式动态分析，它适用于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件、如冲击和爆炸问题。此外，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效，如模拟成形问题。

3.3ABAQUS应用举例

    在现代机身结构中，由于大量采用复合材料，大量的设计需要重新做实验、重新分析，大量的新材料和新结构，将导致大量的实验费用。所以必须利用有限元分析的方法，通过模拟仿真，提前找到结构设计的规律、避免设计缺陷，以减少实验的次数，节省巨额的实验费用。

图1 蒙皮-纵梁复合材料结构模拟实验

图2 复合材料水平尾翼强度分析

    在航空、航天、汽车结构中大量存在着各种管道零部件，可能涉及到不锈钢、特种钢、合金、橡胶、复合材料、高分子材料等一种或多种材料并存，力学性能从简单线弹性到极端复杂的各向异性。一些特殊用途的管道可能还具有连续屈服特征，无明显的屈服平台，延伸率非常大，明显的各向异性，横向拉伸的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比纵向拉伸的高等特性。往往，结构的截面形状和尺寸对抗拉强度也有一定的影响，而对屈服强度影响不大。同时，由于材料内部的缺陷引起的沿厚度方向强度降低和横向拉应力的作用，断裂时在结构特定区域出现分层开裂等。在实际分析中，往往需要作适当简化，但这种数字化的模拟却是现代工业生产必不可少的步骤之一。

图3 管道成形过程模拟

    在轧制工字钢、槽钢等带凸缘的异型断面型钢时，传统上最多的加工方法多采用二辊孔型、直轧孔型、弯腰式孔型、弯腰大斜度式孔型以及蝶式孔型等孔型系统，辅助ABAQUS软件进行有限元仿真分析，可以对孔型横断面上各处变形进行精确模拟，能够有效解决轧辊、动力消耗大，产品尺寸精度、轧制效率等问题。

图4 轧钢工程模拟

4 结论

    随着计算机技术的发展，CAE技术获得越来越广泛的应用，这不仅能够有效地改变设计思想和方法，提高设计能力和技术创新能力，还可以大大降低实验费用，提高效率。