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ABAQUS在产品开发中的应用及示例 |
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作者：长春富奥-江森公司(FJC) 李国民 |
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摘要：本文概述了工程分析软件ABAQUS在新产品开发中的应用及分析流程，同时，展示了ABAQUS软件的一个应用示例---汽车遮阳板镜盒的强度分析。最后，展望了工程分析在中国未来工业发展中的巨大前景。
关键字： 工程分析， DFMEA， DOE， 分析流程， 多步骤分析， 非线性。
第一部分：ABAQUS在新产品开发中的应用及分析流程
1. ABAQUS在新产品开发中的应用
ABAQUS作为国际上最先进的通用大型有限元分析软件，具有另人惊奇的模拟能力。它在分析复杂的固体力学和结构力学系统时所表现出的驾驭大型问题和非线性问题的能力，突显其无可比拟的性能。ABAQUS的两个主要的模块：ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT几乎可以模拟所有的固体力学和结构力学中的静力学和动力学问题。ABAQUS/CAE可以很好地完成前处理和后处理流程。正是基于上述原因，ABAQUS在世界各国的机械、化工、土木、水利、电力、材料、冶金、航空、汽车和船舶等工业领域得到广泛的应用。
ABAQUS作为优秀的工程分析软件，在新产品开发中应的到充分的使用。作为汽车工业部门，新产品的开发大致分成这样几个阶段：（1）概念开发阶段，（2）设计阶段，（3）设计验证阶段，（4）生产验证阶段，（5）投产阶段。
一般来说，在(1)(2)(3)阶段能够较集中地应用工程分析，主要体现在以下几方面：
(A) 在(1)阶段，通过ABAQUS等有限元软件对概念模型做初步的工程分析，支持概念开发。
(B) 在(2)阶段，可依据相关法规或有关的产品工程标准做出设计验证计划(DVP)和设计失效模式分析(DFMEA)，在这两个文件中，可以形成工程分析的任务需求，为下一步的工程分析工作做前期输入的准备，如：法规或标准中的试验方法，相关材料数据的准备，分析方案的制定，进度计划的形成以及人力资源的配备等。
(C) 在(3)阶段，应用ABAQUS完成相关的工程分析，给出定量数据或定性的结论。定量的数据如：应力、应变、位移、固有频率及模态等。这些数据和结论能够给设计工程师一个很好的设计依据，以便在后继的工作中完善设计。
在实际的开发过程中，工程分析工作不一定这样“串行”在开发过程中，可能将工程分析工作与设计工作“并行”，如二者都在同步开发小组(SDT)之中，工程分析工程师与设计工程师进行交互式地工作。
另外，通过工程分析与实验设计(DOE)进行有机结合，我们可以很好地进行优化设计，例如，在夹紧力一定的条件下，将U性弹簧夹片的底部弯角β与材料厚度T设为设计变量，利用ABAQUS进行分析优化，找出使用料最少的参数β与T;工程分析与设计失效模式分析(DFMEA)进行有效结合，可以帮助确定潜在的失效起因或机理，从而在设计中进行有效的控制。
可见，如能将工程分析很好地溶入开发过程的重要阶段，对于保证产品的开发质量和缩短开发周期以及降低开发成本是至关重要的。
2. ABAQUS的分析流程
ABAQUS解决问题的范围非常广泛，它可以从简单的线性分析到复杂的非线性分析，非线性问题涵盖了材料非线性、几何非线性以及边界非线性。利用有限元求解任何工程力学问题，需要有清晰的分析流程，才能较好地模拟实际的情况。其实，ABAQUS/CAE已经给出了很好的分析流程，本文的流程是以ABAQUS/CAE为内核的工程分析管理方面的流程，它能帮助工程分析工程师高效地工作。以下为一基本的流程图：
ABAQUS分析流程图
第二部分：应用ABAQUS软件的一个算例----汽车遮阳板镜盒的强度分析
1．问题的提出：
分析遮阳板镜盒的打开过程中，转轴颈部应力的变化，确认能否满足设计要求。
2．模型处理：
根据产品的实际功能，将其转化成如图所示的形式：弹簧夹片和镜盒本体。
依据装配和使用情况，此问题可化成多步骤分析，即：STEP1：打开弹簧夹片；STEP2：弹簧夹片夹紧接触部位；STEP3：将本体向下转动90度。
3．材料： 弹簧夹片------弹簧钢；镜盒本体------ABS。真实应力-应变表(注：材料数据已做处理，请勿引用)
 
4．接触问题的处理：
由于这个问题具有较强的非线性，为使结果真实，将弹簧夹片和镜盒本体的接触区的单元细划。STEP1中，接触被去掉（*MODEL CHANGE， REMOVE， TYPE = CONTACT PAIR）；STEP2中，接触被加上（*MODEL CHANGE， ADD， TYPE = CONTACT PAIR）；STEP3中，接触仍然存在。
5．边界条件的处理：
在STEP1中，可以只定义弹簧夹片下部的接点（DOF=1，6），将自由端取一排结点，通过结点位移方法使弹簧夹片打开（DOF3=-5）；在STEP2中，将弹簧夹片卸载，即取消自由端结点的边界条件（通过定义其它边界条件时，令OP=NEW），让其自由回弹，夹紧接触部位。此时，附加合理约束来保证镜盒本体平衡，在STEP3中再将它去掉；在STEP3中，在转动点处向下加载位移（DOF3=65）来保证镜盒本体向下饶转轴转动90度。
6．结果输出要求： 输出：应力、应变、位移，接触力的时间曲线（用于判断接触的情况）
7．结果判断准则：考虑到疲劳问题，要求一次操作时颈部应力不应超过15MPa。
8．前处理、求解及后处理： 用ABAQUS/CAE完成前后处理，用ABAQUS/Sandards来求解。
9．结果如下：
A：接触反力曲线：
由图可见，在T=1.37左右，弹簧夹片与本体开始接触，在T=2.0时，接触力达到最大。在STEP3中(T：2.0~3.0)，接触力逐渐下降，在T=2.5左右出现接触波动(不连续)，在接近T=3.0左右时，接触力降为0，说明弹簧夹片与镜盒本体脱开。
B：镜盒本体应力云图：
如图所示，虽然有一个单元的应力较高（VON MISS STRESS=14.5MPa），但是不能作为评价值，而颈部面积较大的绿色区域为真实的应力情况，VON MISS STRESS=8.5MPa。该值满足设计要求。
10.分析小结：
该模型虽然小，但它却包含材料非线性、几何非线性以及边界条件非线性，这是一个较复杂的问题，但ABAQUS还是很好地解算出另人满意的结果来。该算例应注意摩擦系数的合理使用。
总结：
前几年，以ABAQUS软件为代表的有限元软件在中国一出现，就受到广大工程师和学者的热烈欢迎。这种现象是和中国经济的发展和工业化进程是紧密相关的，中国还远未达到工业现代化。“中国是未来的制造业大国，未来的中国急需大量的工程师，工程教育在中国前途不可限量”------美国工程教育协会（ASSE）这样讲道。这虽然讲的是工程教育的问题，但我们从另一个角度进行思考，不难想象出工程分析在中国的远大前景。相信ABAQUS能够抓住这样难得的历史机遇，加快发展。
参考文献：
ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南 庄茁 等译 北京 清华大学出版社 1998
ABAQUS DOCUMENT-----ANALYSIS 6.4 EDITION ABAQUS，INC.(end)
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(4/21/2005) |
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