3.4 分析步模塊

任何幾何模型都可在前面介紹的這4個功能模塊中創建。Part模塊和Sketch模塊用于創建部件，Assembly模塊用于組裝模型的各部件。

有時，需要將Part模塊和Assembly模塊配合起來使用，如通過Assembly模塊中的合并（Merge）和切割（Cut）功能創建出新的部件，再進行裝配。對裝配件中所包含的部件的所有操作都完成后，就可以進入Step（分析步）模塊，進行分析步和輸出的定義。

Step（分析步）模塊主要用于分析步的輸出請求設置，也可以進行求解控制與自適應網格劃分。這些功能包含在菜單欄中的“分析步”“輸出”及“其他”菜單中。在定義相互作用、載荷及邊界條件之間，需要創建分析步；選擇在初始步還是在分析步中設置接觸或邊界條件，載荷則只能在分析步中設置。

3.4.1 設置分析步

進入Step（分析步）功能模塊后，主菜單中的Step菜單及工具區中的Create Step（創建分析步）工具和Step Manager（步驟管理器）工具用于分析步的創建和管理。

創建一個模型數據庫后，ABAQUS/CAE默認創建初始步（Initial），位于所有分析步之前。用戶可以在初始步中設置邊界條件和相互作用，使之在整個分析中起作用，但不能編輯、替換、重命名和刪除初始步。

ABAQUS可以在初始步后創建一個或多個分析步，在菜單欄中執行Step（分析步）→Create （創建）命令，或單擊左側工具區中的Create Step（創建分析步）工具，彈出Create Step（創建分析步）對話框，如圖3-35所示。該對話框包括如下3部分：

（1）在Name（名稱）欄內輸入分析步的名稱，默認為Step-n（n表示第n個創建的分析步）。

（2）Insert new step after（在選定項目后插入新的分析步）欄用于設置創建的分析步的位置，每個新建立的分析步都可以設置在Initial（初始步）后的任何位置。

（3）Procedure type（程序類型）欄用于選擇分析步的類型。用戶需要首先選擇General（通用分析步）或Linear perturbation（線性攝動分析步），這兩個選項下所包含的分析步類型各有不同。

① General（通用分析步）：用于設置一個通用分析步，可用于線性分析和非線性分析。該分析步定義了一個連續的事件，即前一個通用分析步的結束是后一個通用分析步的開始。ABAQUS包括14個小類。

Coupled temp-displacement（溫度-位移耦合）：用于熱-力耦合分析，當應力分布和溫度分布互相影響時（如金屬加工問題），需要采用該類分析步，適用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit所選用的單元應該同時具有溫度和位移自由度。

Coupled thermal-electrical（熱-電耦合）：用于線性或非線性的熱-電耦合分析，僅適用于ABAQUS/Standard。

Coupled thermal-electrical-structural（熱-電-結構耦合）：用于熱-電-結構耦合分析。

Direct cyclic（直接循環）：用于循環加載的分析。

Dynamic, Implicit（隱式動力）：用于線性或非線性的隱式動力學分析，非線性動態響應只能采用該類分析步，僅適用于ABAQUS/Standard。

Dynamic, Explicit（顯示動力）：用于顯式動力學分析，對于大模型的瞬時動力學分析和高度不連續事件的分析特別有效，僅適用于ABAQUS/Explicit。

Dynamic Temp-disp, Explicit（顯示動態，溫度-位移）：用于顯式動態溫度-位移耦合分析，類似于熱-力耦合分析，僅適用于ABAQUS/Explicit，且包含慣性效應和瞬時熱響應。

Geostatic（地應力）：用于線性或非線性的地壓應力場分析，僅適用于ABAQUS/ Standard，其后往往跟隨多孔流體擴散-應力耦合分析或靜力學分析。

Heat transfer（熱傳遞）：用于傳熱分析，不考慮熱-力耦合與熱-電耦合，僅適用于ABAQUS/Standard。

Mass diffusion（質量擴散）：用于質量擴散分析（瞬態或穩態），僅適用于ABAQUS/ Standard。

Soils（土）：用于土壤力學分析，僅適用于ABAQUS/Standard。

Static, General（通用靜力）：用于線性或非線性靜力學分析，不考慮慣性及與時間相關的材料屬性，僅適用于ABAQUS/Standard。

Static, Riks（靜態，Riks）：通常用于處理不穩定的幾何非線性問題（采用Riks方法），僅適用于ABAQUS/Standard。

Visco（黏性）：用于與時間相關材料（如黏彈性、黏塑性、蠕變）的線性或非線性響應分析，屬于準靜態分析，慣性效應被忽略，僅適用于ABAQUS/Standard。

② Linear perturbation（線性攝動分析步）：用于設置一個線性攝動分析步，僅適用于ABAQUS/Standard中的線性分析。ABAQUS包括以下5種線性攝動分析步。

Buckle（屈曲）：該選項用于線性特征值屈曲分析。

Frequency（頻率）：通過特征值的提取計算固有頻率和相應的振型，用戶可以選用Lanczos特征值求解器、AMS特征值求解器和子空間迭代特征值求解器。創建了Frequency（頻率）分析步后，會出現Complex Frequency（綜合特征值提?。籑odal Dynamic（瞬時模態動力學分析）；Random response（隨機響應分析）；Response spectrum（響應譜分析）；Steady-state dynamic, Modal（基于模態的穩態動力學分析）；Steady-state dynamic, Subspace（基于子空間的穩態動力學分析）6種分析步。

Static, Linear perturbation（靜力，線性攝動）：用于線性靜力學應力/位移分析。

Steady-state dynamic, Direct（穩態動力學，直接）：用于穩態諧波響應分析，直接求解模型在諧波激勵下的穩態動力學線性響應。

Substructure generation（子結構生成）：基于AMS新一代子結構。

選擇分析類型后，單擊Continue…按鈕，彈出Edit Step（編輯分析步）對話框。對于不同類型的分析步，該對話框的選項有所差異，下面就幾種常用的分析步進行介紹。

1．通用靜力學分析步

Static, General（通用靜力）分析步，用于分析線性或非線性靜力學問題，其Edit Step（編輯分析步）對話框包括Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3個選項卡頁面。

（1）Basic（基本信息）選項卡：主要用于設置分析步的時間和幾何非線性等，如圖3-36所示。

① Description（描述）：用于輸入對該分析步的簡單描述，該描述保存在結果數據庫中，進入Visualization（可視化）模塊后顯示在狀態區。該欄非必選項，用戶也可以不對分析步進行描述。

② Time period（時間）：用于輸入該分析步的時間，系統默認值為1。對于一般的靜力學問題，可以采用默認值。

③ Nlgeom（幾何非線性）：用于選擇該分析步是否考慮幾何非線性，對于ABAQUS/Standard該選項默認為Off（關閉）。

④ Use stabilization with（自動穩定）：該選項用于局部不穩定的問題（如表面褶皺、局部屈曲），ABAQUS/Standard會施加阻尼來使該問題變得穩定。

⑤ Include adiabatic heating effects（包括絕熱效應）：用于絕熱的應力分析，如高速加工過程。

（2）Incrementation（增量）選項卡如圖3-37所示。

① Type（類型）：該選項用于選擇時間增量的控制方法，包括兩種方式：Automatic（自動）和Fixed（固定），Automatic（自動）為默認選項，ABAQUS/Standard根據計算效率來選擇時間增量。Fixed（固定）選項，ABAQUS/Standard采用設置的固定時間增量進行運算。在確保所設的時間增量能夠收斂的情況下，可以選擇該選項。

② Maximum number of increments（增量步的最大數目）：該欄用于設置該分析步的增量步數目的上限，默認值為100。即使沒有完成分析，當增量步的數目達到該值時，分析停止。

③ Increment size（時間增量大?。涸摍谟糜谠O置時間增量的大小。當選擇Automatic時，用戶可以設置Initial（初始）、Minimum（最?。┖蚆aximum（最大），默認值分別為1、1E-005和1。當選擇Fixed時，只能設置時間增量的大小。

（3）Other（其他）選項卡頁面，如圖3-38所示。

① Equation Solver（方程求解器）：用于選擇求解器和矩陣存儲方式。

a. Method（方法）

Direct（直接）：用于選擇直接稀疏矩陣求解器，此為默認選項，適用于大多數分析。

Iterative（迭代）：用于選擇域分解的線性迭代求解器，對于大規模的模型，分析速度快于直接求解器。

b. Matrix Storage（矩陣儲存）

Use solver default（使用求解器的默認設置）：此為默認選項，ABAQUS/Standard用于選擇對稱的或不對稱的剛度矩陣存儲方式和解答方案。僅適用于直接稀疏矩陣求解器，建議讀者采用此選項。

Unsymmetric（非對稱）：選擇不對稱的剛度矩陣存儲方式和解答方案，僅適用于直接稀疏矩陣求解器。

Symmetric（對稱）：選擇對稱的剛度矩陣存儲方式和解答方案，適用于直接稀疏矩陣求解器和迭代求解器。

② Solution Technique（求解技術）：用于選擇非線性平衡方程組的求解技巧。

Full Newton（完全牛頓）：此為默認選項，采用牛頓方法求解非線性平衡方程組，適用于大多數情況。

Quasi-Newton（準牛頓）：采用準牛頓方法求解非線性平衡方程組。當方程組的雅可比矩陣是對稱的且在迭代過程中變化不大時，采用該方法能夠加快收斂，特別是大規模的模型。如果選擇該方法，用戶就要設置Number of iterations allowed before the kernel matrix is reformed（迭代次數），默認為8，最大可以設置為25。

③ Convert severe discontinuity iterations（轉換嚴重不連續迭代）：用于選擇非線性分析中高度不連續迭代處理方法。

Propagate from previous step（繼承自前一步分析）：此為默認選項，若出現高度不連續迭代，采用前一個通用分析步的值。

Off（關）：若出現高度小連續迭代，開始一個新的迭代。

On（開）：若出現高度小連續迭代，程序估計與高度不連續相關的殘余載荷并檢查平衡容差，判斷是否開始另一個迭代或減小時間增加。

④ Default load variation with time（默認的載荷隨時間的變化方式）：用于選擇載荷隨時間的改變方式。

Instantaneous（瞬態）：在該分析步開始時載荷被瞬間增加，在整個分析步中保持不變。

Ramp linearly over step（整個分析步內采用線性斜坡）：此為默認選項，在整個分析步中載荷線性增加。

⑤ Extrapolation of previous state at start of each increment（每一增量步開始時外推前一狀態）：用于選擇每個增量步開始時的外推方法，ABAQUS/Standard采用外推法加速非線性分析的收斂。

None（無）：不使用外推法。

Lineal（線性）：此為默認選項，在開始一個增量步前外推前一個增量步的解答，第一個增量步不外推。

Paraholic（拋物線）：二次的。在開始一個增量步前外推前兩個增量步的解答，第一個增量步不外推，第二個增量步采用線性外推法。

⑥ Stop when region is fully plastic（當區域全部進入塑性時停止）：若指定區域內所有計算點的解答是完全塑性的，該分析步結束。

⑦ Obtain long-term solution with time-domain material properties（獲取含時域材料屬性的長期解）：適用于熱彈性或黏塑性材料。

⑧ Accept solution after reaching maximum number of iterations（接受達到最大迭代數時的解）：當在Incrementation（增量）選項卡頁面中選擇Fixed（固定）時間增量時，該選項可以被選擇。若選擇該選項，當增量步達到設置的上限數目時，ABAQUS/Standard接受此時的解答。

2．通用隱式動力學分析步

Dynamic, Implicit（隱式動力）分析步，用于分析線性或非線性隱式動力學分析問題，其Edit Step（編輯分析步）對話框也包括Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3個選項卡，其中很多選項與靜力學分析相同，此處僅介紹不同的選項。

在Incrementation（增量）選項卡中，當選擇自動時間增量（Automatic）時，可以設置Maximum increment size（最大增量步長）和Half-increment residual tolerance（增量步中的平衡殘余誤差的容差）；當選擇固定時間增量（Fixed）時，可以選擇Suppress half-step residual calculation來加快收斂。

Other（其他）選項卡（見圖3-39）的參數說明如下：

（1）Extrapolation of previous state at start of each increment（每一增量步開始時外推前一狀態）的選項中，除了None（無）、Lineal（線性）、Parabolic（拋物線）選項外，還增加了Velocity Parabolic（速度拋物線）和Analysis product default（分析程序默認值）。

（2）Time Integrator Parameter（時間積分參數）：Analysis product default（分析程序默認值）和Specify（指定）選項。

（3）Initial acceleration Calculation at the beginning of step（分析步開始時的初始加速度計算）：適用于分析步開始時載荷不突然變化的情況，ABAQUS/Standard在分析步開始時不計算初始加速度。若前一個分析步也是動力學分析步，采用前一個分析步結束時的加速度作為新的分析步的加速度。若當前分析步是第一個動力學分析步，加速度為0；在默認情況下，ABAQUS/Standard計算初始加速度。

3．通用顯式動力學分析步

Dynamic, Explicit（顯式動力學）分析步用于顯式動力學分析，其Edit Step（編輯分析步）對話框除了Basic（基本信息）、Incrementation（增量）和Other（其他）3個選項卡外，還包含一個Mass scaling（質量縮放）選項卡。

Basic（基礎）選項卡頁面中的Nlgeom（幾何非線性）選項默認為On（開）。Incrementation （增量）選項卡頁面的相關參數介紹如下：

（1）增量類型選擇Automatic（自動）

① Stable increment estimator（穩定增量步估計）：

Global（全局）：此為默認選項，用于估算整個模型使用當前膨脹波速的最高頻率。當采用該方法具有足夠的精確度時，才從Element-by-element方式轉化為Global方式。若模型包含流體單元、無限元、阻尼器、厚殼、厚梁、材料阻尼、自適應網格等，該方法不被使用。若使用該方法耗費太多的計算時間，ABAQUS/Explicit采用Element-by-element方法。

Element-by-element（逐個單元）：用于估算每個單元的最高頻率，該方法是保守的，得到的穩定時間增量總是小于整體估算法。

② Max. time increment（最大時間增量步）：

Unlimited（無限制）：此為默認選項，不限制時間增量的上限。

Value（數值）：用于設置時間增量的上限。

（2）增量類型選擇Fixed（固定）

Increment size selection（增量步值選擇）：

User-defined time increment（用戶定義的時間增量）。

Use element-by-element time increment estimator（適用逐個單元的時間增量估計器）：此為默認選項，ABAQUS/Explicit在分析步開始時采用逐個單元估算法計算時間增量，并將此值作為固定時間增量。

無論選擇自動還是固定類型，選項卡最后都包含Time scaling factor（時間縮放系數）選項，用于輸入時間增量比例因子，用于調整ABAQUS/Explicit計算出的穩定的時間增量，默認值為1不適用于用戶選擇固定時間增量（Fixed）中的User-defined time increment（用戶定義的時間增量）的情況。

（1）Mass scaling（質量縮放）選項卡頁面用于質量縮放的定義。當模型的某些區域包含控制穩定極限的很小單元時，ABAQUS/Explicit采用質量縮放功能來增加穩定極限，提高分析效率。

Use scaled mass and “throughout step” definitions from the previous step（使用前一分析步的縮放質量和“整個分析步”定義）：為默認選項，程序采用前一個分析步對質量縮放的定義。

Use scaling definitions below（使用下面的縮放定義）：用于創建一個或多個質量縮放定義。單擊該對話框下部的Create…按鈕，彈出Edit Mass Scaling（編輯質量縮放）對話框，如圖3-40所示，在該對話框中選擇質量縮放的類型并進行相應的設置，此處不再贅述。

設置完成后，Edit Step對話框的Data列表內將顯示該質量縮放的設置，用戶可以單擊該對話框下部的Edit…或Delete按鈕進行質量縮放定義的編輯或刪除，如圖3-41所示。

（2）Other（其他）選項卡頁面，不同于Static、General（通用靜力學）和Dynamic、Implicit （隱式動力學）的情況，該頁面僅包含Linear bulk viscosity parameter和Quadratic bulk viscosity parameter兩欄，如圖3-42所示。

① Linear bulk viscosity parameter：用于輸入線性體積黏度參數，默認值為0.06, ABAQUS/Explicit默認使用該類參數。

② Quadratic bulk viscosity parameter：用于輸入二次體積黏度參數，默認值為1.2，僅適用于連續實體單元和壓容積應變率。

4．線性攝動靜力學分析步

Static, Linear perturbation（線性攝動靜力）分析步用于線性靜力學分析，其Edit Step（編輯分析步）對話框僅包含Basic（基本信息）和Other（其他）兩個選項卡，如圖3-43所示，且選項為Static（靜力）、General（通用）的子集。

（1）Basic（基礎）選項卡：包含Description（描述）欄；Nlgeom（幾何非線性）為Off（關閉），即不涉及幾何非線性問題。

（2）Other（其他）選項卡：僅包含Equation Solver（方程求解器）欄。

設置完Edit Step（編輯分析步）對話框后，單擊OK按鈕，完成分析步的創建。此時單擊工具區Step Manager（分析步管理器）工具，可見步驟管理器內列出了初始步和已創建的分析步，可以對列出的分析步進行編輯、替換、重命名、刪除和幾何非線性的選擇，如圖3-44所示。另外，環境欄的Step列表中也列出了初始步和已創建的分析步。

ABAQUS對分析步的數量沒有限制，但嚴格限制其排列順序。當繼續創建分析步時，Create Step（創建分析步）對話框的分析步列表自動更新，僅列出可以選用的分析步。

以上為四種常用的分析步，其他分析步的使用方法可以參閱系統幫助文件ABAQUS/CAE User's Manual和ABAQUS Analysis User's Manual。

3.4.2 輸出設置

用戶可以設置寫入輸出數據庫的變量，包括場變量（以較低的頻率將整個模型或模型的大部分區域的結果寫入輸出數據庫）和歷史變量（以較高的頻率將模型的小部分區域的結果寫入輸出數據庫）。

1．輸出請求管理器

創建了分析步后，ABAQUS/CAE會自動創建默認的場變量輸出要求和歷史變量輸出要求[線性攝動分析步中的Buckle（屈曲），Frequency-Complex Frequency（頻率-綜合特征值提?。o歷史變量輸出]。

單擊左側工具區中的Field Output Manager（場變量輸出要求管理器）工具，或者在菜單欄中執行Output（輸出）→Field Output Requests（場輸出請求）→Manager（管理器）命令；以及單擊左側工具區的Field History Manager（歷史變量輸出要求管理器）工具，或者在菜單欄中執行Output（輸出）→History Output Requests（歷史輸出請求）→Manager（管理器）命令，分別彈出Field Output Requests Manager（場變量輸出要求管理器）和History Output Requests Manager（歷史變量輸出要求管理器），如圖3-45（a）、（b）所示。

ABAQUS可以在場變量輸出要求管理器中進行場變量輸出要求的創建、重命名、復制、刪除、編輯。此外，列表最左側的表示該場變量輸出要求被激活，單擊此圖標則變為，表示該場變量輸出要求被抑制。

已創建的通用分析步的場變量輸出要求，在之后所有的通用分析步中繼續起作用，在管理器中顯示為Propagated，如圖3-45（a）所示。

該功能同樣適用于線性攝動力學分析步，但必須是同種線性攝動分析步的場變量輸出要求。

2．編輯輸出請求

單擊場變量輸出要求管理器或歷史變量輸出要求管理器中的Edit..．按鈕，彈出Edit Field Output Request（編輯場變量輸出要求）或Edit History Output Request（編輯歷史變量輸出要求）對話框，如圖3-46所示，就可以對場變量輸出要求/歷史變量輸出要求進行修改。

（1）編輯場變量輸出要求

在Edit Field Output Request對話框中，用戶可以對場變量輸出要求進行設置。不同分析步的選項可能不完全相同，下面以通用靜力分析步為例進行介紹。

① Domain（作用域）：該列表用于選擇輸出變量的區域。

Whole model（整個模型），此為默認選項；

Set（集合）；

Bolt load（螺栓載荷）；

Composite layup（復合層接合部）；

Fastener（捆綁）；

Assembled fastener set（已裝配的捆綁集）；

Substructure（子結構）；

Interaction（相互作用）；

Skin（蒙皮）；

Stringer（縱梁）。

② Frequency（頻率）：該欄用于設置輸出變量的頻率。

Last increment（末尾增量步）；

Every n increments（每n個增量步），此為默認選項；

Evenly spaced time intervals（均勻時間間隔）；

Every x units of time（每x個時間單位）；

From time points（來自時間點）。

③ Timing（定時）：當在Frequency（頻率）列表中選擇Every x units of time（每x個時間單位）、Evenly spaced time intervals（均勻時間間隔）或From time points（來自時間點）時，該列表為可選，包括Output at exact times（在精確時間輸出）和Output at approximate times（在近似時間輸出）。

④ Output Variables（輸出變量）：用于選擇寫入輸出數據庫的場變量，可通過幾種方式進行選擇：Select from list below（從列表中選擇）、All（全選）、Preselected defaults（默認選擇）、Edit variables（編輯變量名稱）。輸出變量列表與輸出變量的區域選擇相對應。這是需要重點選擇的部分，寫入輸出數據庫的場變量越多，輸出數據庫占的系統空間也相應增大，所以用戶應該根據需要選擇輸出變量。

⑤ Output for rebar（鋼筋的輸出）：用于選擇寫入輸出數據庫的場變量中是否包括鋼筋的結果，Domain（作用域）中為Whole model（整個模型）或Set（集合）時被激活。

⑥ Output at shell, beam, and layered section points（殼，梁和復合層截面點上的輸出）：用于設置寫入輸出數據庫的場變量的截面點，Domain（作用域）中為Whole model（整個模型）或Set（集合）時被激活。

⑦ Include local coordinate directions when available（包括可用的局部坐標方向）：不選擇該項可以減小輸出數據庫，默認為選擇該項。

（2）編輯歷史變量輸出要求

Edit History Output Request對話框與Edit Field Output Request對話框基本相同，現就其不同之處進行介紹（仍以Static, General分析步為例）。

Domain（作用域）中增加了Springs/Dashpots（將指定的彈簧/阻尼器的場變量寫入輸出數據庫）和Contour integral（將指定的圍線積分中的場變量寫入輸出數據庫）。

不包含Include local coordinate directions when available（包括可用的局部坐標方向）選項。

3.4.3 分析步模塊的其他功能

Step（分析步）模塊除了能夠設置分析步和定義輸出變量外，還能通過Output（輸出）菜單和Other（其他）菜單進行其他操作，下面進行簡單介紹。

1．ALE自適應網格

ALE自適應網格適用于靜力學分析（Static, General）、熱-力耦合分析（Coupled temp-displacement），顯式動力學分析（Dynamic, Explicit）、顯式動態溫度-位移耦合分析（Dynamic, Temp-disp, Explicit）、土壤力學分析（Soils）。

ALE自適應網格（ALE adaptive meshing）是任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）分析，它綜合了拉格朗日分析和歐拉分析的特征，在整個分析中保持高質量的網格而不改變網格的拓撲結構。

主菜單中的Other（其他）下有3個子菜單用于ALE自適應網格。

（1）Other→ALE Adaptive Mesh Domain（ALE自適應網格的區域），一個分析步只能指定一個區域。

（2）Other→ALE Adaptive Mesh Constraint（ALE自適應網格的約束）。

（3）Other→ALE Adaptive Mesh Controls（ALE自適應網格的控制）。

2．求解控制

通過調整參數可以控制ABAQUS的分析，包括通用求解控制和線性方程組迭代求解器的控制。Other-General Solution Controls菜單用于通用求解控制，僅適用于ABAQUS/Standard的通用分析步，用戶通過調整變量來控制收斂和時間積分的精確性。

Other→Solver Controls菜單用于線性方程組迭代求解器的控制，適用于通用靜力學分析（Static, General）、線性攝動靜力學分析（Static, Linear perturbation）、黏性分析（Visco）和傳熱分析（Heat transfer）。

讀者要慎用通用求解控制，因為通用求解控制的默認設置適用于大多數分析，改變默認設置可能增加計算時間，產生不精確的解或導致收斂問題。