深耕结构细节分析的一体化仿真工具：Abaqus四合一

结构一般是由不同零件由各种各样的连接方式构成一个功能组件，对结构进行分析时常将连接关系用连接单元或共节点约束进行简化，这种简化在研究系统的传力路线时是一种非常有效的方法，可以得到结构的选型和选材。但是结构的破坏往往从R区或连接区等细节部位开始，如果不再进行深入的细节分析，我们无法确认结构的可靠性，所以只能不断的加大安全裕度，这样就会使我们的结构显得笨重不堪。

实际上，连接单元是将结构中的两个点通过某种方式连接在一起，这必然会造成结构局部的失真。要想得到细节区域的真实响应，需要建立连接区的真实力学关系。这里，便绕不开的需要进行接触建模。Abaqus以其接触非线性分析闻名于世，提供了小滑动接触和大滑动接触算法，精于各种收敛准则的深入研究，能够进行快速高效的接触计算分析，可以对工程中常见的各种接触问题进行分析计算。例如卷曲成形、密封、挤压、铰连接、齿轮轴承的仿真等。

同样，在结构细节分析方面，Abaqus的断裂力学分析功能在商业求解器中是国际上公认的最强的，并且不断在客户推动下发展。Abaqus可以很方便的进行材料剪切、拉伸、屈曲等工况下失效的模拟。这样为模拟芯片，模塑料等封装组件开裂问题提供了有力手段。如图所示，Intel公司和Abaqus合作，利用粘结单元模拟焊球和基板之间的开裂，对母板生产厂商提供设计标准。

初步传力路线设计关系着结构的整体布局，是决定结构优劣的重要阶段。现阶段基本由有经验的工程师根据以往经验来对结构的布局和连接关系进行设计，没有进行精确的分析计算，因此，也会造成结构选型不是最优或不够理想。Tosca可以调用Abaqus或其它有限元软件的求解器，进行结构拓扑优化、结构形状优化、结构尺寸优化、结构起筋优化及流场流道拓扑优化。

它能够在设计空间生成一个最优结构，满足重量最轻，刚度最大，能够减小应力集中以提高疲劳寿命，并能够对钣筋结构的加强筋布局和起筋方向进行合理优化，提升刚度或模态性能，还能够优化复杂板壳结构，提升结构刚度或模态性能，并且支持材料、接触等非线性问题的求解。

Isight作为一个仿真分析流程自动化和多学科多目标的参数优化工具，其本身的功能已经非常强大，在这里，我们仅仅讨论Isight在复材机翼结构可靠性设计方面的一个案例。我们通过Isight搭建好参数化的复材机翼结构的仿真流程，复材铺层的层数和角度可以在一定范围内进行变化，

如图所示。如果我们给定优化目标为最小化 Tsai-Wu失效指数，铺层数最小，并且 Tsai-Wu<1，那么我们可以得到理想情况下，哪些设计好，哪些设计差。从图中可以看到，我们得到3层[15,15,90]的铺设方法就能够满足设计要求。

然而考虑到在工艺上材料的性能、铺层的角度和厚度都有误差，可能会引起结构的不可靠。因此，我们可以考虑材料性能、角度和厚度等分别有10%的偏差，来分析最优的设计。

首先，在铺层是三层的基础上，我们设定铺层的角度、厚度和材料性能分别在+/- 10%内进行变化，我们经过计算发现，在三层的情况下，由于工艺的偏差，结构有13%的可能性会发生失效，因此，三层的铺层在结构设计上是不能接受的。

其次，既然三层设计不能满足可靠性要求，我们选择四层进行分析，通过对四层的计算我们发现，只要按照我们的计算结果进行铺设，只要工艺上的误差在容许范围之内，结构总是安全可靠的。

另外，Isight还可以集成主流CAE分析工具或者用户自定义程序，建立复杂的仿真分析流程，通过设定和修改设计变量以及设计目标，能够自动进行多次分析循环。此外，Isight提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格玛设计等一套完整的优化软件包。

对于长时间工作的结构，由于使用条件的经常变化，例如温度、力、位移等，虽然静强度校核没有问题，但是在使用过程中往往会由于疲劳寿命不足而发生破坏。Fe-safe可以准确的预测结构的疲劳裂纹出现的位置以及时间，已经广泛的应用到各工程领域。Fe-safe通过对Abaqus等有限元分析的弹性应力结果和弹塑性应力结果进行处理，可组合多个载荷的时间历程，并可以迭加多轴加载的时间历程，从而在模型每个位置上都产生一个应力张量的时间历程，利用一定的疲劳准则来计算疲劳裂纹的起始时间和位置。

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