Abaqus中三种刚体形式的区别与使用方法详解

Abaqus中三种刚体形式的区别与使用方法详解

在工程仿真领域，Abaqus是一款常用的有限元分析软件。在进行仿真分析时，常常会遇到需要将某些部件定义为刚体的情况。Abaqus提供了三种刚体形式：解析刚体、离散刚体和刚体约束。本文将通过一个铁球跌落试验的案例，详细对比这三种刚体形式的设置方法和区别。

1 前言

如果模型中某个部件的刚度远远大于其他部件，其变形远远小于其他部件，就可以将其定义为刚体部件。在分析过程中刚体部件不发生变形，而只发生整体的平动和转动。将部件定义为刚体的主要目的是为了提高计算效率，使分析更容易收敛。在Abaqus中，有三种刚体形式：解析刚体、离散刚体和刚体约束，在设置过程中，三者之间有怎样的区别呢？本文以铁球跌落试验为例（把地面当做刚性，铁球当做弹性体）来说明以上三种刚体的使用方法及其它们的区别。

2 解析刚体

解析刚体其实就是用几何的形状表示刚体，主要是由直线、圆弧等具有简单几何关系的曲线构成，易于建模，不用划分网格。

(1)建立模型
建立三维解析刚体及参考点，按图1设置。

图1 解析刚体的建立

由图1可知，虽然我们选择创建三维的解析刚体，但是呈现的只是一层壳，在壳的中间建立一个参考点，这个参考点的状态就可以表示整个壳的状态。

按照常规方法创建三维弹性铁球实体，见图2。

图2 弹性铁球的建立

(2)赋予材料属性
按图3设置铁球材料属性，注意在使用显式积分算法时，要使用到材料密度。

图3 铁球材料属性

对于解析刚体，无需赋予材料属性。

(3)模型装配
装配后，使铁球最底端距离地面10mm，见图4。

图4 模型装配

(4)设置分析步
一般来说，碰撞问题都是使用显式积分算法，时间长度设为0.003s。

图5 设置分析步

(5)设置接触
设置接触属性之前，需要把这个解析刚体设置为一个接触面，否则的话会弹出如图6的提示。

图6 提示内容

退出以上提示后，通过选择解析刚体，把其定义成一个接触面，如图7所示。

图7 把解析刚体定义为一个接触面

按默认设置接触属性，见图8。

图8 接触属性的设置

使用显式通用接触定义相互作用，见图9。

图9 接触的设置

(6)设置载荷
按图10、图11、图12分别设置重力加速度、地面约束、铁球的初始速度。

图10 设置重力加速度

图11对解析刚体进行全约束

图12 设置铁球初始速度

(7)网格划分
使用四面体网格划分球体。解析刚体不需要划分网格，见图13。

图13 划分网格后的模型

(8)提交计算

图14 t=2.1e-3时铁球的受力

3 离散刚体

离散刚体则是用离散的单元来表示刚体，离散刚体部件可以是任意的几何形状，可以为其添加Part模块中的各种特征，需要划分网格。

为了节省篇幅，只列出与解析刚体设置不一样的地方。

(1)建立模型
建立三维离散刚体，按图15设置。

图15 离散刚体模型的建立

和解析刚体一样，也不需要给离散刚体赋予材料属性。

(2)模型装配
在装配离散刚体之前，需要先对其进行“抽壳”（解析刚体不需要“抽壳”，其本身就是壳），否则的话会弹出如图16的提示。

图16 离散刚体未“抽壳”，无法装配

关闭提示后，切换到“部件”模块，对离散刚体抽壳，见图17。

图17 离散刚体“抽壳”

“抽壳”后，在左边的模型树上显示，见图18。

图18 离散刚体“抽壳”后模型树的显示

添加参考点，用这个点来表示整个离散刚体的状态，见图19。

图19 在离散刚体上添加参考点

“抽壳”后，再次进入装配模块进行模型组装，见图20。

图20 模型装配

组装完成后，按解析刚体的设置方法设置分析步、设置接触、设置载荷，网格划分，注意：需要对离散刚体进行网格划分（这一点与解析刚体不一样），见图21。

图21 网格划分后的模型

提交计算，同样查看当t=2.1e-3时铁球所受应力，见图22。

图22 t=2.1e-3时铁球的受力

4 刚体约束

在对部件进行刚体约束之前，按常规方法对地面、铁球都按三维弹性体建模，见图23。

图23 对地面按弹性体建模

不仅对铁球赋予材料属性，还需要对地面赋予材料属性（注意：解析刚体、离散刚体都不需要赋予材料属性），见图24，

图24 对地面赋予材料属性

按以上相同的设置方法设置分析步、设置载荷，但是需要有额外的一步：在“相互作用”模块对地面设置刚体约束，见图25。

图25 对地面进行刚体约束

同时，也需要对地面进行网格划分，网格划分后模型见图26。

图26 网格划分后的模型

提交计算，同样查看当t=2.1e-3时铁球所受应力，见图27。

图27 t=2.1e-3时铁球的受力

5 总结

以上较为详细介绍了解析刚体、离散刚体和刚体约束的设置方法，为了便于理解，特列出表1，对它们在建模过程中的差异点进行汇总，方便对比。