有限元软件在工程领域的研究成果分析报告

(4)薄壳单元，这是由曲面组成的壳单元。

在选择单元的形状、尺寸、数量和排列时必须谨慎，以便尽可能精确的模拟原物体或区域。 4）.结构失效理论

不同材料的零部件在工作时因强度不足引起的失效现象都很复杂，但大多数强度失效现象主要是屈服和断裂强度。因此，可将强度理论总结为两大类0： (1)断裂失效。它包括最大拉应力理论和最大伸长线性应变理论。一般脆性材料，如铸铁、石料、混凝土等都适宜该强度理论。通过材料式样拉伸试验所得到的应力应变曲线图?-?可知，脆性材料断裂时的应力极限是强度极限。 (2)屈服失效。它包括最大剪切应力理论和变形比能理论。一般塑性材料，如碳钢、铜、铝及其合金等都适合采用该强度理论。通过?-?图可知，塑性材料失效的特征是达到该材料的屈服极限。

屈服准则是描述不同应力状态下变形体某点进入塑性状态并使塑性变形继续发展所必须满足的条件。比较符合试验依据的屈服准则有Mises屈服准则和Tresca屈服准则。Mises屈服准则简称能量屈服准则，它遵循材料力学第四强度理论（形变比能理论），其表达形式如下：

?Mises?12??x222??y????y??z????z??x??6?xy??yz??zx

222??Tresca屈服准则又称最大剪切准则，它是法国人屈雷斯加通过一系列的试验得出的结论：当最大剪切应力达到材料所固有的某一数值时，材料开始进入塑性状态。

经过试验发现，大多数金属材料都符合Mises屈服准则。因本人现在正学习ABAQUS有限元软件，所以下文着重介绍ABAQUS有限元软件在工程领域中的应用研究。

3 ABAQUS软件及其在工程领域的研究应用介绍

ABAQUS被广泛地认为是功能最强大的有限元软件之一。它是一套基于有限元方法的工程分析软件，它既可以完成对简单的有限元模型的求解，也能解决大型模型的高度非线性问题0。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场

的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究机构广泛采用，其产品也在大量的高科技产品研究中发挥着巨大的作用。ABAQUS在不断丰富其有限元分析的前后处理模块，也是建模、分析和仿真的人机交互平台——ABAQUS/CAE的功能的同时，还与其他的CAD、CAE软件厂商直接合作，开发嵌入式第三方求解器，如CATIA V5和AVL Excite。

ABAQUS是世界著名有限元分析软件公司ABAQUS公司开发的。该公司成立于1978年，总部位于美国罗德岛州博塔市，公司的主要业务是非线性有限元软件ABAQUS的开发和维护服务等。公司根据用户在使用软件的过程中对问题的反馈，不断地解决各种技术难题和完善软件功能。如今，ABAQUS软件功能已经逐步完善，从简单的线性弹性静态问题到高度复杂的非线性问题，从单个零部件的力学分析到庞大复杂系统的多物理场耦合分析，它都可以解决。ABAQUS/CAE软件几乎可以解决所有场问题，对于大多数数值模拟，用户只需要提供结构的几何形状、边界条件、材料属性、载荷情况等工程数据，就可以解决问题。它以强大的有限元分析模块和CAE功能，被广泛地应用到机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、导弹武器、民用等领域。

在工程领域的热力耦合问题上的应用，重庆理工大学汽车学院的黄霞等人[7]采用有限元分析软件ABAQUS及其用户子程序UEXPAN和USDFLD相结合的有限元数值方法,对飞机涡轮叶片的热障涂层表面缺陷的Fecralloy金属基体界面的位移非稳定性进行了有限元模拟；针对热障涂层外部粒子束冲击失效机理，Chen[8]等人采用ABAQUS/Explicit 软件对热障涂层在外部粒子冲击下的损伤机理进行了模拟，计算中采用的粒子尺寸、速率、以及热障涂层的高温性能与典型情形下的基本一致，并且对具有柱晶微结构的热障涂层的高温压痕过程进行了模拟[9]，探讨了压痕过程中柱宽、接触摩擦和柱间摩擦系数等对柱晶弯曲、剪切带等变形不均匀性的影响。

在工程领域的结构力学问题上的应用，中国石油大学储运与建筑工程学院的黄小光等人[10]通过利用ABAQUS/CAE建立压力容器的有限元模型，利用软件提供的接触算法，形成压力容器各部件之间的主-从接触对，通过分步加载模拟了

卡箍螺栓预紧和加压过程中容器各部件的应力分布情况，并轻松地找到了各部件的最大应力出现的部位，为实际的生产活动提供了强有力的理论根据；武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室的张伟等人[11]通过利用有限元软件ABAQUS在大体积混凝土有限元分析中的应用进行了评述，结合三峡水电站引水管道模型试验资料，进行钢筋混凝土非线性分析，并与试验结果对比评述，论证软件的实际应用能力。

在工程领域的模态分析问题上的应用，吉林大学的谢永强[12]利用ABAQUS有限元软件建立了轮胎有限元模型并进行了轮胎结构动力学分析，了解了轮胎的动特性，对接下来正确进行实验设置，选择模态参数和研究计算模态与实验模态的相关性打下了基础，并研究出了轮胎动特性的规律并分析了产生的原因；华东理工大学机械与动力工程的张振峰等人[13]利用ABAQUS有限元软件对减速箱齿轮进行了模态分析，总结出在1-6阶，齿轮的振型主要是弯曲振动和扭转振动，同阶时，弹性模量越大，齿轮的固有频率越大，为齿轮动态优化设计提供了可靠的参考依据。

在航空航天工业的应用，南京航空航天大学的孟永强[14]利用ABAQUS有限元软件进行了风挡鸟撞有限元分析及试验研究。在工程实际中,逐渐形成了以有限元数值模拟与鸟撞试验相结合的方法来进行抗鸟撞设计研究。文章系统地研究了鸟体撞击载荷模型,归纳了ABAQUS软件求解鸟撞问题的关键技术;并利用ABAQUS软件对风挡和鸟体分别采用两种不同的模型(即对应四种不同的模型组合)进行了仿真计算,并与试验结果进行了比较和分析。国防科技大学的韩洪黎[15]利用ABAQUS对某型无人机机翼进行了有限元分析及局部结构设计。文章以某型号无人机机翼为研究对象,采用非线性有限元分析软件ABAQUS对机翼在各种工况和材料下进行了结构的有限元分析,对机翼进行了材料优选以及局部尺寸优选。

ABAQUS已经成为汽车工业中动力系统可靠性分析的标准软件。ABAQUS是最早的可以高精度模拟螺栓预紧力和垫片密封的有限元软件。世界各大汽车公司，如通用汽车公司等，均大量采用ABAQUS进行汽车动力系统的分析。一方面，在发动机分析上，ABAQUS/Standard强大、精确和灵活的接触功能享有盛名，并可以对各种耦合场进行精确的模拟，如发动机内的热固耦合分析。世界著

名的汽车和发动机公司，如Ford、AVL等，均采用ABAQUS作为其产品的分析工具。另外一方面，在碰撞分析上，国外大部分的汽车制造商对碰撞模拟研究了很多年，但在进行真正可预测的碰撞模拟方面仍有许多工作要做。ABAQUS同其重要客户德国宝马汽车公司一起努力开发下一代的防撞性能模拟技术。基于ABAQUS强大的结构分析研发工作，我们将为客户提供真正可预测的碰撞分析解决方案。

ABAQUS有限元在岩土工程领域的应用，利用有限元的理论和分析方法我们可以建立适当的简化模型来模拟现实中的施工情况，通过不同的模型对比来选出最优的施工方案。比如在岩石爆破中可以用有限元来模拟爆破给岩石和原有洞穴带来的影响，据此可以选择合适的爆破地点和爆破强度；在浅海的油田开发中，人工岛和近海路的建设是很重要的开发环节，采用有限元法可以模拟两者的施工过程并计算最终沉降，来指导现场施工。同样对大型油罐的建设中的沉降模拟和边坡的稳定分析等都可以用有限元来提前进行计算，以减少施工中的风险和成本。

随着ABAQUS公司根据用户使用时遇到的问题的反馈，其各种技术难题也在不断改进完善，除了上文提到的，该软件可以分析工程领域中的结构静态问题、高度非线性问题、热力耦合问题、几何非线性问题和模态分析之外，还可以有效地进行瞬态分析、接触分析、弹塑性分析、几何非线性分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、屈曲分析、断裂分析、热固耦合分析、流固耦合分析、压电和热电耦合分析、质量扩散分析等等。ABAQUS软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用到机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、生物医学、军用和民用等领域[16]。其具有很强大的分析能力和很高的可靠性。

4 结语

本文首先从历史的角度简略地介绍了有限元分析的发展过程和现状概况，总结了有限元目前可以解决的工程领域中的哪些实际问题，并概括了有限元的发展趋势以及目前市面上用到的一些先进的功能强大的商业有限元软件；然后总结了