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标题 基于ABAQUS驱动工程力学课程多样性探索
范文 王铎 蒋国平 杨拴强

摘要：将有限元分析软件ABAQUS与工程力学相结合，能有效帮助学生学习和理解课程中的理论知识与计算问题，有限元分析使力学问题由抽象变成具体，模拟动画仿真形象生动，学生通过后处理分析更容易理解和掌握相关问题，激发学生的学习积极性，提高课程趣味性与实践性。
Abstract： The combination of the finite element analysis software ABAQUS with engineering mechanics can effectively help students learn and understand the theoretical knowledge and computational problems in the course. Finite element analysis makes the mechanics problem from abstract to concrete， and the simulated animation simulation is vivid. Post-processing analysis make students easier to understand and grasp related issues， inspire students' enthusiasm for learning and improve the interest and practicality of the course.
关键词：工程力学；ABAQUS；有限元分析
Key words： engineering mechanics；ABAQUS；finite element analysis
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0286-03
0 引言
工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科，工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是工科类各专业必不可少的一门重要技术基础课，在基础课和专业课中起着承前启后的作用[1]，也是解决工程实际问题的重要基礎。
目前很多高校对工程力学课程讲授偏重于理论为主，以多媒体为手段。讲授过程中主要采用公式推导、理论灌输和习题讲解等方式，使原本抽象的理论变得更加晦涩，这首先引起学生对课程学习失去兴趣，忽视课堂学习的重要性，导致考试前突击学习的普遍现象，等考试结束即刻遗忘知识，不利于后续课程的学习。其次，学生过于看重分数，忽视动手实践和知识拓展，不利于实操能力的培养。
针对上述传统教学中的现状，为了培养工科本科生力学素养和应用创新意识，充分发挥学科纵向联合教学的效果，在工程力学课程讲授中引入ABAQUS有限元分析软件，将两者相结合。这样既能加深学生对基本定理与概念的理解，又能提高学生分析解决问题的能力，还能激发学生的学习兴趣，对提高教学效果起到事半功倍的作用。而且这种能力将激发学生解决工程实际的力学问题上不断探索的欲望[2]。
1 ABAQUS软件概述
ABAQUS是世界上最先进的大型通用有限元分析软件之一，具有丰富的材料本构模型和平易近人的开发平台。它广泛用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、国防军工、水利水电、土木工程、生物工程、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电行业和科学领域[3]。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程复杂的线性和非线性问题进行分析计算。自从它进入中国以来，越来越多的企业、高校和科研院所开始使用ABAQUS进行产品的研发和研究[4]。其分析过程包括3个主要步骤：
第一，前处理部分包括创建模型、定义材料属性、施加载荷、划分网格等。
第二，模拟计算使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit求解输入文件中所定义的数值模型，它通常以后台方式运行[5]。
第三，后处理阶段，模拟计算结束后可以得到位移、应力、应变等相关数据和图像，用以计算和评估计算结果，评估通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他后处理软件在图形环境下交互进行。包括彩色应力应变等值线图、动画演示、变形图和X-Y曲线图等。本文以压杆屈曲变形为例，介绍应用ABAQUS在工程力学分析中的作用，培养学生应用创新能力，更好适应社会与企业的需求。
2 ABAQUS教学实例
2.1 建模
压杆结构如图1所示，结构材料为钢材，本实例采用工字形截面钢，材料参数为：弹性模量E=206GPa，泊松比ν=0.31，下屈服强度σs=296MPa，密度ρ=7800kg/m3，压杆长度l=5m，Q235钢λP=101，长度系数μ=2，压力FP=200kN。
2.2 施加载荷
在创建载荷对话框中，类别中选择“力”；在“可用于所选分析步的类型”中选择“壳的边载荷”。在图形窗口中选择工字形横截面的边线，在“编辑载荷”对话框中，载荷大小输入200000N，方向垂直于横截面，完成载荷设定。
2.3 网格划分
网格划分是将构件模型转化为离散的连续实体，网格划分的质量直接影响分析结果的精确度和分析时间。采用3D四结点曲面薄壳，减缩积分，沙漏控制，有限膜应变单元类型划分。
2.4 网络检查
要保证求解不中断和结果精确，必须进行网络检查。主要进行形状、尺寸和分析检查。如长宽比、平均长宽比、最差长宽比、最大边长等。显式网格单元数量232000，分析错误：0（0%），分析警告：0（0%）时，可进入下一步作业分析，如果分析错误和分析警告不为零，要重新划分网格或做局部细化调整。
2.5 作业分析
对有限元模型进行求解。以INP文件形式输入ABAQUS Standard/ABAQUS Explicit中，在Job模块中实现分析计算。可在Job模块中交互式地提交作业、进行分析并监控其分析过程，待求解完成后点击“结果”按钮，进入可视化模块。
2.6 后处理分析
后处理提供了有限元模型的图形和分析结果的图形。可从输出数据中获得模型和结果信息[6]。后处理使用云图或X-Y图表显示结果，其结果类型包括变形、应力、应变、位移、矢量/张量、材料方向、动画等。在应力云图中（如图3所示），工字梁中间部位应力最大，应力从压杆中部向曲杆两端逐渐减小。在压杆屈曲变形向量图中（如图4所示），向量红色区域箭头方向表示压杆变形位移方向，在压杆中间部位位移最大，发生弹性屈曲变形。
2.7 理论计算求解与模型分析结果对比
下面通过理论计算来求解压杆变形情况。
解：分析计算：
判定由工字钢横截面尺寸，计算惯性距IZ和横截面面积A。
得：IZ=34889833mm4，A=5020mm2，取柔度λ=120>101（Q235鋼柔度λP），所以模型为大柔度杆，采用欧拉公式计算临界载荷。
Fpcr=708.77kN，FP=200kN，得：Fpcr>FP。
所以，理论计算表明，压杆发生弹性屈曲变形，这与ABAQQUS模型分析结果一致。
3 结束语
采用ABAQUS有限元模型仿真分析拓展工程力学教学的可视性、实践性和趣味性，通过前处理、求解分析和后处理过程解算出模型的屈曲变形情况，并将分析结果进行动画仿真，呈现压杆屈曲变形的具体过程。有效提升学生对工程力学理论的学习兴趣，改善学习氛围，相比于实际的力学推导效率更高。同时学生掌握更多分析解决问题的技能，为后期在企业工作中的实际应用和创新设计提供很多便利条件。
参考文献：
[1]冯锡兰，等.工程力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012，6.
[2]谷俊斌，贾宏玉.ANSYS软件在工程力学专业教学中的应用[J].中国冶金教育，2013（3）：9-11.
[3]庄茁，由小川，岑松，等.基于ABAQUS的有限元分析应用[M.北京：清华大学出版社，2009.
[4]王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].中国建筑工业出版社，2010，3（1）：3-4.
[5]王国梁.ABAQUS GUI二次开发技术在材料领域的研究与应用[J].兰州理工大学，2009，6：16-17.
[6]齐威，等.ABAQUS 6.14超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016，6：136-137.
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更新时间：2025/3/10 11:34:00