Abaqus2022新功能系列(1):分析程序

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本文摘要（由AI生成）：

本文概述了Abaqus软件的一系列更新和改进。首先，通过降低分析预处理成本，提高了独立分析的效率。其次，线性分析程序中单元输出性能得到了显著提升，特别是在具有多个荷载工况的静态分析和频率提取分析中。此外，新版本还增加了模态瞬态和稳态动态程序中的次基运动功能，以及Abaqus/Standard中的钣金成形修剪线模拟，进一步提升了软件的适用性和灵活性。AMS特征解算器也得到了GPU加速的支持，提高了频率提取分析的运行效率。同时，Abaqus/Explicit的模型求解能力也得到了显著提升。最后，迭代线性方程求解器经过增强，支持使用拉格朗日乘法器建模，如混合单元、连接器单元等，进一步扩展了软件的应用范围。这些更新和改进将为用户带来更高效、更准确的仿真分析体验。

挤牙膏般的Abaqus现已推出2022版，随SIMULIA Suite 2022一起发行。

1. 常规增强功能和建模

对Abaqus2022的一般增强以及与创建模型相关的功能做介绍。

1.1 Abaqus/CAE 几何和网格划分增强功能

以下增强功能可用：

ACIS 版本从 2016 1.0.1 升级到 2021 1.0.0，允许在Abaqus/CAE中导入或导出 ACIS 31 .sat文件。
可以在Abaqus/Standard中选择粘性耦合温度-位移Cohesive Coupled Temperature-Displacement和粘性耦合温度-孔隙压力Cohesive Coupled Temperature-Pore pressure单元类型。
可以将线性运动学转换截面控制linear kinematic conversion section control用在Abaqus/Explicit求解。
可以为Abaqus/Standard分析选择初始间隙开口截面initial gap opening section control 控制。

1.2 Abaqus/CAE查询工具集增强功能

Abaqus/CAE，可以在可视化模块中查询节点、距离和单元面法线时，指定局部坐标系。

1.3 Abaqus/CAE 中的建模增强功能

Abaqus/CAE中现在提供了以下建模增强功能：

可以直接将 CATIA V5 文件作为部件导入 Linux 平台。
可以在Abaqus plugin_central_dir环境文件参数中指定多个目录位置，而不仅仅是单个路径。
对于SolidWORKS 关联接口，适用于Abaqus/CAE：

可以选择在Abaqus/CAE中将多实体零件的每个实体导出为单独的零件。
可以选择在导出到Abaqus/CAE的零件上保留所有区域边界。
Abaqus/CAE在更新模型时会考虑 SOLIDWORKS 中的当前装配体配置。

在复合铺层编辑器中，可以使用分析字段来指定各个层的厚度。Composite Layup editor: Plies tab
对于基于节点的子模型，可以仅在子模型边界条件中指定交集，以便Abaqus忽略发现位于全局模型单元区域之外的驱动节点。Submodel boundary condition editor: Intersection only

1.4 去除单一计算机执行的节点限制

Abaqus/Standard现在支持对节点数超过 1600 万的大型模型，进行共享内存并行（SMP）分析。此新功能消除了在多个计算机节点之间拆分分析执行的需要，并启用了大型模型的模态分析。

1.5 定义材料方向的空间分布

Abaqus/Standard&Abaqus/Explicit，现在可以为各向异性材料（如纤维材料或各向异性超弹性材料）定义局部材料方向（或纤维方向）分布。还可以使用此功能从输出数据库（.sim）文件导入局部材质方向结果。如果在第一次和第二次分析中使用了不同的网格，则数据将在两个网格之间进行自动映射。

2. 分析程序

2.1 电池电化学仿真

Abaqus/Standard现在提供的分析功能，旨在基于扩展的三维多孔电极理论（PET）Newman模型，为可充电电池中的三维热电化学过程，提供可扩展和预测性的模拟。Abaqus 2022 GA 版本中提供了完全耦合的热-电化学-结构coupled thermal-electrochemical-structural程序，可用于同时分析与热电化学场的机械效应。

锂离子电池已成为可充电储能设备，广泛用于各种行业，包括便携式电子产品和汽车行业。与其他电池化学相比，锂离子电池的优点包括高能量密度，低维护和改进的电化学性能。基于物理的电池电化学过程的精确计算机仿真可以带来更好的电池设计。这些模拟可以提供关于电池在不同负载条件下维持其容量的能力，由于重复的充放电循环而导致的老化以及对可能导致热失控的条件的见解的重要信息。

全栈锂离子电池由阳极集热器、多孔阳极、多孔隔膜、多孔阴极和阴极集热器组成。图1显示了圆柱形电池的典型果冻辊配置。电池的多孔部件浸没在电解质浴中，该电解质浴有助于离子在充电周期内从阴极移动到阳极（图2）。

图 1. 全栈锂离子电池的原理图。

图 2. 全栈锂离子电池单元中充电过程的示意图。

耦合热电化学和新的全耦合热电化学结构程序旨在分析电池电化学应用。使用扩展的三维多孔电极理论（PET）Newman模型，全耦合分析同时求解以下高度耦合场：位移，温度，固体和电解质相中的电势，电解质中的离子浓度以及电极中固体颗粒中的浓度。可以使用非均匀和均匀的网格。仅支持Brick单元，这被证明足以满足所有Cell设计，包括所有圆柱形和棱柱形。

2.2 增强响应谱分析中的结果输出

在响应谱分析程序中，单元结果输出性能得到显著改善，这些改进执行以下操作：

在使用以下求和方法的响应谱分析中，将单元输出相位加快 10–100 倍：完全二次组合法（CQC）、双和组合法（DSC）、分组方法（GRP）。
将典型响应谱分析时间缩短 5–20 倍。
允许在响应谱过程中使用更大的模态子空间，从而提高数值解的精度。
支持历史记录、字段和打印输出。

2.3 自然频率提取中生成柔性体

Abaqus/Standard现在能够以固有频率提取的方式，在Simpack中为柔性体动力生成数据。对于所选特征模态对结构模型的动态响应具有主要影响的情况，不再需要生成子结构。在这种情况下，可以根据所选的模态形状生成柔性主体，以快速查看Simpack中柔性主体设计。添加残差模式可能有助于模拟中获得更准确的结果。

2.4 迭代线性方程求解器性能改进

迭代线性方程求解器的改进性能可用于具有大型分布耦合的模型。以前，大型分布耦合会导致迭代求解器出现明显的性能瓶颈。

在使用迭代求解器的先前版本中，与分布耦合关联的非零刚度矩阵条目数与云节点平方数成正比，这导致计算性能下降和内存使用量增加。一种减少用于分布耦合的非零刚度矩阵条目数的新算法，提高了使用约束预调节器的迭代求解器的性能。此外，还实现了新的残差检查算法，以避免不必要的迭代。

2.5 多非线性荷载工况分析

现在，可以定义多非线性荷载工况分析，以研究受由一个或多个步骤组成的不同荷载历史影响的结构的非线性响应。

多线性荷载工况分析在概念上等效于将每个非线性荷载工况作为独立分析执行，每个独立分析中重复包含公共基本状态的任何步骤。当分析预处理器的执行成本和基态解相对于非线性荷载工况的成本较高时，多线性荷载工况分析可能比等效独立分析更有效。可以包括所有非线性荷载工况共有的基本状态的影响，并且可以将结果合并到一组输出数据库文件中。

图 1显示了搭接接头结构的模型。该结构承受四种不同的载荷，每种载荷具有共同的预紧力基态。表 1显示了四种工况分别独立分析的总时间，以及作为多线性荷载工况分析运行的四个荷载工况的总时间。多线性荷载工况分析的性能优于独立分析，因为分析预处理成本降低，基态仅执行一次。图2显示了应变能在基态和四个荷载工况中的演变。结果将写入单独的输出数据库文件。

2.6 改进线性分析程序中单元输出性能

在线性分析程序中，单元输出性能得到显著提高，特别是：改进了具有多个荷载工况的线性扰动静态分析中单元输出的并行缩放。

图 1显示了与Abaqus 2020 FD01 版本相比，用于静态应力分析的壁挂时间显著缩短。该模型是一个与S4单元啮合的矩形板。该模型有 400 万个节点和 2400 万个自由度。在静态分析中，无支撑板（无边界条件）加载了 100 个载荷工况，包括集中节点力和惯性溢流载荷。在两个截面点的积分点（模型中所有图元的壳部分的顶部和底部）请求单元应力输出。

在特征值提取分析中启用了元素输出的并行缩放。

图 2显示与用于频率提取分析的Abaqus 2020 FD01 版本相比，壁挂时间显著缩短。该模型是一个与S4单元啮合的矩形板。该模型有 400 万个节点和 2400 万个自由度。在频率提取分析中提取了100个特征模态。在两个截面点的积分点（模型中所有图元的壳部分的顶部和底部）请求单元应力输出。

2.7 增加：模态瞬态和稳态动态程序中的次基运动

现在，可以在模态瞬态和稳态动态过程中，指定局部或全局坐标系中的次级基础运动。这一新功能在模态瞬态和稳态动态过程中，为分配边界运动时提供了更大的灵活性。

2.8 增加：Abaqus/Standard钣金成形的修剪线模拟

现在，可以在Abaqus/Standard中执行钣金一步展开分析，以获得钣金零件的初始形状，给定其最终（变形）和初始毛坯曲面。

一步逆算展开法已成为钣金冲压工艺数字化规划早期阶段的关键分析工具。该方法只需要事先了解最终零件设计，材料属性以及初始毛坯表面和厚度。给定此信息，您可以使用逆有限元方法来计算零件在空白表面（通常是平坦表面）上的初始形状。该方法在零件设计的早期阶段特别有用。除其他事项外，您可以使用该方法评估零件的可成形性，并在刀具几何形状尚不可用时估计毛坯尺寸。

该方法的另一个重要应用是钣金翻边操作中的修剪线开发。使用一步逆算方法将法兰从其最终（按设计）配置展开到初始空白表面上。修剪线从展开法兰的周边识别。Abaqus/Standard中提供的功能特别适用于法兰展开应用以及具有相对简单边界条件的其他成型操作。

2.9 AMS特征解算器的GPU加速

AMS 特征解算器已得到增强，可在 Windows 平台上支持 GPU 加速。AMS 特征解程序可以在 Windows 平台上使用支持计算的 GPU，以减少频率提取分析的运行时间。

2.10 Abaqus/Explicit中的容量提升

Abaqus/Explicit可以求解的模型的大小在此版本中显著增加。在此版本中，在所有分析阶段（分析输入预处理器、打包程序和Abaqus/Explicit）中都进行了一些改进，以允许运行非常大的模型。与以前的版本相比，如下所示的复杂模型显式分析能力增加一倍以上。

2.11 迭代线性方程求解器增强功能

迭代线性方程求解器经过增强，可支持使用拉格朗日乘法器建模，例如混合单元、连接器单元、分布耦合和硬接触。

迭代线性方程求解器现在支持使用拉格朗日乘数，对以下分析过程的要素进行建模：

一般/扰动静态分析
准静态分析
隐式动态分析

预调节器是为对称问题而开发的;但是，它也可以解决轻度不对称的问题。具有更明显的不对称水平的非对称问题可能会遇到收敛问题。默认情况下，当模型中存在拉格朗日乘数时，将调用新的基于约束的预处理迭代求解器。使用拉格朗日乘法器建模功能包括

混合单元
连接器单元
分布耦合、紧固件和壳-实体耦合
直接执法接触

由于用于新约束预调节器的算法的性质，约束预调节器的迭代成本大约是 AMG 预调节器针对相应无约束问题的迭代成本的两倍。因此，具有约束方程的问题的总体迭代求解器计算时间通常高于没有约束方程的问题。例如，对于具有运动耦合的同一模型，具有分布耦合的模型的迭代求解器的运行速度比迭代求解器慢。同样，对于具有惩罚性接触的同一模型，具有硬接触的模型的迭代求解器的运行速度比迭代求解器慢。