Abaqus2023新功能(3): 分析技术
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了Abaqus/Standard的几项新增功能，增强了其建模和仿真能力。首先，基于应力强度因子的疲劳裂纹扩展规律扩展了Abaqus的建模功能，使其适用于更丰富的单元类型，并提供了更多计算有效应力强度系数的方法。其次，二阶四面体单元围道积分的引入，进一步提升了断裂力学研究的仿真能力。此外，Abaqus/Standard还增强了静态分析的伴随灵敏度功能，包括新的设计响应、形状灵敏度以及用户定义的单元设计响应。最后，新增的瞬态动态分析的伴随形状/加强筋灵敏度功能，有助于优化汽车面板和板的设计，减少塑性影响和增加动态刚度。这些新增功能为Abaqus用户提供了更强大的工具，用于更准确地模拟和分析各种复杂工程问题。
1. 隐式耦合的松弛和加速器方法
SIMULIA协同仿真引擎现在支持Aitkens松弛方法以及Anderson和Broyden加速器方法，为强耦合物理场提供稳健且省时高效的解决方案。此功能在 2022 FD04 （FP.2232）版本中首次提供。分离求解技术对强耦合物理场的稳定性和精度提出了挑战，SIMULIA协同仿真引擎支持Aitkens松弛方法以及用于隐式耦合的Anderson和Broyden加速器方法。这些方法能够以更少的耦合迭代来处理强耦合物理仿真。Abaqus/Standard 与 3DS Navier-Stokes 流体求解器耦合时，当隐式耦合时默认使用Anderson方法。2. 基于统一背景网格转换的新默认的SPH单元转换方法
默认的平滑粒子流体动力学（SPH）单元转换方法更改为均匀背景网格转换。此功能在 Abaqus 2022 FD04（FP.2232）版本中首次提供。以前，默认的SPH单元转换方法基于每个拉格朗日单元生成固定数量的SPH粒子。在拉格朗日母单元尺寸不均匀的情况下，此方法 论导致转换后的SPH粒子分布不均匀，从而对仿真精度产生不利影响。在此版本中，SPH 单元转换的默认选项更改为统一背景网格转换方法。均匀背景网格转换是首选方法，因为它可以生成均匀分布的SPH粒子，有助于实现更好的仿真精度。均匀背景网格转换会在增量开始时自动将拉格朗日单元转换为 SPH 粒子。对于每个基于单元的单元转换，必须在“SECTION CONTROLS”选项中设置SPH CONVERSION=PER ELEMENT。3. 在 Abaqus/Explicit中导入其他外部场
现在，可以从CST Studio 分析中导入时域和频域结果。此功能在2022 FD04 （FP.2232）版本中首次提供。这种新的导入功能仅限于在离散位置导入力和扭矩，以及导入物体表面或体积上的热损失：在Abaqus/Explicit中，导入某个时间范围内场，性能得到提高；当将力、压力、牵引力和热通量作为历史相关场导入时，场映射器为缺失成员分配零值。3.2 Abaqus2022 FD03 （FP.2223）在Abaqus/Explicit 中，可导入外部场以定义与历史记录相关的场。以前，外部场的导入在Abaqus/Explicit中仅用于定义初始条件和分布。现在，可以导入外部场定义荷载、边界条件和预定义场。对于顺序分析中导入的外部场，可以使用物理场量（例如集中力、位移、速度、加速度、节点温度和场变量）。此功能在 Abaqus 2022 FD03 （FP.2223）版本中首次提供。4. 新的场映射器控件
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit导入预定义场时，可以使用附加的场映射控件。此功能在 Abaqus 2022 FD03 （FP.2223） 版本中首次提供。场映射器提供具有不同网格拓扑的域之间的空间映射，并被Abaqus的各种功能使用，包括协同仿真和导入外部场。- 在将密集场集成到扩展场时，可以在子单元或全局保守映射算法之间进行选择。子单元算法提供具有平滑分布的保守映射。对于全局保守算法，结果在整个区域都是保守的，并且该算法在数值上性价比更高。
- （可选）可以指定一个常量值，以便在搜索失败时用于缺少的单元。默认情况下，会发出错误，可以在Abaqus/CAE的可视化模块中查看缺少的部分。
- 可以提供距离搜索容差以限制或扩大搜索范围，这些距离容差可以是绝对值，也可以是相对于特征区域维度。
5. 模型中引入子结构：绝对路径
现在，可以指定子结构数据库文件位置的绝对路径，以便在模型中引入子结构，从而提高子结构的可用性。此功能在Abaqus 2022 FD02（FP.2214）版本中首次提供。以前版本仅支持相对路径。6. 添加残差模式以丰富子结构
现在可以将残差模式添加到子结构基础中，以提高子结构的高频动态逼近能力。此功能在 Abaqus 2022 FD02 （FP.2214） 版本中首次提供。现在，可以将静态扰动响应输出为残差模式，以便在后续的子结构生成过程中使用。当指定新的残差模式RESIDUAL MODES参数时，与子结构荷载工况对应的荷载模式，以及静态扰动过程中存储的任何残差模式也会添加到下部结构基础中。可以在分布式内存并行 （DMP） 模式下计算静态扰动步骤中的残差模态，从而使工作流程在涉及许多残差模态的应用程序中更加高效。7. 改进了具有混合或自由界面模式的子结构的性能
在固有频率提取过程中，特征模态不保留任何或所有保留的自由度的情况下，引入保留特征模态子结构的性能得以显著提高。这些改进首先在 Abaqus 2022 FD02（FP.2214）版本中提供。对于具有数百万自由度的模型，在子结构中保留了混合/自由界面模式，实现了显著的性能改进。8. 协同仿真和导入外部场，支持的场类型
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit、Abaqus/CAE协同仿真和导入外部场时支持的附加场类型。首次于Abaqus 2022 FD02 (FP.2214) 版本中提供。对其他场类型的支持提供了与其他输出定义的一致性。对协同仿真和导入外部场，将实现以下场类型的更改：- 现在，支持将表面牵引矢量（TRVEC）导入到Abaqus/Standard 中。可以在 Abaqus/CAE 中可视化表面牵引力。
- 现在，协同仿真支持导入表面薄膜属性 （SFILM）导入到Abaqus/Standard 中。不推荐使用浓缩薄膜特性，请改用表面薄膜属性。
- 表面压力的标识符从PRESS更改为P，以与Abaqus输出标识符保持一致。
- 场标识符NT用于节点温度，无论温度是自由度还是预定义场。不推荐使用表示单元温度的场标识符TEMP。
9. 重启动同步以进行协同仿真
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/ExplicitSIMULIA 协同仿真引擎现在提供在协同仿真求解中写入重启数据的功能。此功能在 Abaqus 2022 FD02 （FP.2214） 版本中首次提供。现在，可以在即将到来的协同仿真目标时间同步写入重新启动信息，此时所有求解器之间的解都处于平衡状态。10. 粒子方法的鲁棒性提升
重大架构更改提高了粒子方法的鲁棒性。此功能在 Abaqus 2022 FD01 （FP.2205） 版本中首次提供。粒子方法（离散元法 （DEM）、集总动力学分子法 （LKM） 和平滑粒子流体动力学 （SPH））的实施，现在使用更高效的域分解算法和统一的代码架构，从而显著提高了域并行执行的粒子仿真的整体鲁棒性。新架构下的变化改进了对新生成的粒子的并行处理和粒子状态的输出。这些改进特别有利于使用粒子发生器技术和具有多步骤定义的分析的模型。带有出口的SPH模型的架构增强提高了执行的稳健性。11. 增材制造中可变的Bead宽度和Bead方向
对于FDM型和LDED型增材制造工艺的热机械分析，可以定义具有不同Bead尺寸和方向的材料沉积和移动热源。还可以定义材料移除。此功能在Abaqus 2022 FD01 （FP.2205）版本中首次提供。在FDM和LDED型工艺中改变Bead宽度和Bead方向的能力扩展了可以执行的增材制造仿真范围。以前，增材制造仿真中材料沉积和移动热源的Bead宽度和方向是固定的。现在，可以使用参数表模拟复杂的增材制造和焊接操作，以指定具有不同Bead方向和Bead宽度的任意三维运动。此外，现在可以使用单元渐进式激活来指定材料去除。材料去除功能还支持不同的Bead宽度和Bead方向，依此能够定义复杂的三维切割操作。12. 基于应力强度因子的疲劳裂纹扩展规律
基于应力强度因子的疲劳裂纹扩展规律，扩展了Abaqus/Standard的可用建模功能。此功能在Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。现在，基于应力强度因子的疲劳裂纹扩展规律可用于更丰富的单元。以前，疲劳裂纹扩展规律仅能够基于应变能释放速率，现在，可以指定模态混合公式，用于根据以下内容计算有效应力强度系数：- 一种表格形式，用于支持多个分段线性对数-对数（裂纹扩展速率与荷载循环的有效应力强度因子范围）段。
- 在疲劳裂纹扩展分析中，使用用户子程序的用户定义的裂纹扩展准则
基于应力强度因子的定律不适用于沿初始部分粘合表面的裂纹扩展或脱粘，其中基于应变能释放速率的定律更为相关，应继续使用。13. 基于传统有限元法的二阶四面体单元围道积分
基于传统有限元方法的二阶四面体单元围道积分扩展了断裂力学研究的仿真能力，此功能在 Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。现在，可以在传统有限元方法的基础上，使用二阶四面体单元进行断裂力学研究。必须指定一个小半径，在该半径范围内，在断裂力学算例的模型中标识单元环。需要精细的网格定义裂纹前沿周围的单元环，特别是在靠近外部自由表面的区域。现在，可以请求基于传统有限元方法的断裂力学研究的围道积分的场输出。14. Abaqus/Standard中静态分析的伴随灵敏度
伴随灵敏度的增强功能包括：新的设计响应、其他单元类型的形状灵敏度、用户定义的单元设计响应的新用户子程序，以及一组基于应力的附加单元设计响应。此功能在 Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。现在，可以请求Neuber和Glinka塑性校正措施的设计响应和伴随灵敏度，这大约考虑了在基于纯弹性材料响应的线性分析的结构设计优化研究中的塑性效应。此功能在塑性效应起重要作用的设计应用中非常有用，但考虑塑性完整非线性分析的计算过于昂贵。可以在设计周期的初始阶段利用这种近似方法选择一个或多个候选设计，以进行更详细的分析。可以请求对更广泛的单元类别的伴随形状灵敏度，包括混合、改进、改进的混合、轴对称连续体、带扭曲的轴对称连续体和膜单元。这扩展了设计应用程序的类别，其中由 Abaqus 计算的伴随灵敏度可用作涉及Tosca或外部优化器的设计优化工作流的一部分。例如，轴对称混合单元通常用于由几乎不可压缩的弹性体制成的门密封件等应用。此外，根据应力或塑性应变张量，现在可以通过新的用户子程序定义自己的单元设计响应，此功能显著扩展了基于单元响应的设计的范围，并允许将各种失效度量定义为响应，并设置此类度量的约束。最后，现在可以请求最大和最小主应力以及冯米塞斯应力的响应和伴随灵敏度。最大主应力是涉及标称脆性材料的设计应用的重要度量，而冯米塞斯应力（signed von Mises stress）用于涉及混凝土的土木工程应用以及一些使用金属的疲劳应用。在汽车零件的设计阶段，Neuber和Glinka设计响应会有所帮助。下图突出显示了一个全白车身模型面板。Tosca-Abaqus设计优化工作流程通过执行纯线弹性多重荷载工况分析，同时最小化Neuber有效塑性应变，最大限度地减少了不同载荷条件下面板材料塑性的影响。15. Abaqus/Standard瞬态动态分析的伴随形状/加强筋灵敏度
现在，可以请求隐式瞬态动态分析的设计响应，以及有关形状和加强筋设计变量的相应伴随灵敏度。此功能在 Abaqus 2022 FD01 （FP.2205）版本中首次提供。可以从Abaqus输出设计响应和相应的伴随灵敏度，以用于自己的设计修改算法。此功能扩大了伴随瞬态动态灵敏度的覆盖范围，并有利于工作流程，例如，耐撞概念设计、机械动力学和柔性动态机构设计，以及跌落测试中的电子设备性能。下图显示了基于Tosca-Abaqus组合设计优化工作流程的板的初始（左）和优化（右）设计。与初始设计相比，优化的设计在给定瞬态载荷下的挠度减少了65%，因此，将结构的动态刚度提高了近三倍。其它部分新增功能，敬请期待。
