基于ABAQUS的球销屈曲破坏数值模拟

初衷：

   学习ABAQUS的初衷是为了在工作中分析螺栓齿的啮合和金属缩径过程。初学者常因软件复杂而感到困惑，不知从何入手。通过找到相关教程和资料（宝典），可系统学习ABAQUS的使用方法。

核心概念包括：

1. ABAQUS软件功能：作为国际先进的通用有限元计算分析软件，具备广泛的模拟能力，可处理静态、动态及多物理场耦合问题，适用于金属塑性变形、接触等非线性行为分析。

2. 螺栓齿啮合分析：涉及齿轮间齿与齿的接触状态改变，需通过定义材料参数、网格划分、设置接触关系等步骤模拟，以分析受力和变形。

3. 金属缩径过程：如钢管缩径，需建立模头、钢管和缩径模具的几何模型，通过草图配置简化装配关系，定义参考点和边界条件，进行数值仿真。

4. 前处理与网格划分：使用Hypermesh等前处理软件对模型进行网格划分，选择合适的单元类型（如C3D8R），确保网格质量以保证计算收敛性。

5. 分析步设置：根据问题类型选择分析步（如Dynamic, Implicit或动力显示），设置时间增量、最大增量数等参数，考虑大转动和非线性行为对分析的影响。

ABAQUS在机械、材料等领域应用广泛，能有效模拟复杂工程问题。学习路径可从基础操作（如网格划分、单元选择）入手，结合实战案例（如螺栓紧固、金属成型）逐步深入。通过记录学习方法和经验，可避免遗忘，提高分析效率。公司配备的I3 Dell电脑虽性能一般，但可通过合理设置分析参数完成基础模拟任务。

球销模型建立

要分析球销，我选择在 Solidworks  中进行建模。当然常规方法，草图旋转就得到想要的模型。不过还是需要注意一点：

   *建模的时候，最好是在全局坐标系XYZ处建立球销的一段顶点，这样在导入ABAQUS后坐标系会自动追踪到与SOLIDWOKS同样的位置，会为后续的Ref Point的建立带来方便，也会给划分网格分割面的建立带来很多方便。


   Sphere Bolt_Solidworks2021

第二步，将模型转化为step准备导入即可。

ABAQUS模型分析

模型导入与网格划分

参考了 江丙云 《ABAQUS 分析之美》2.2问题的球销的分析过程。在导入模型后首先考虑网格的划分。我的理解是，如果网格先做的好，后面的分析过程也都顺理成章。如果万一网格画残废了，你还可以新建也不耽误时间，所以我赞成这种先网格后定义属性的操作。

   这个模型划分网格的难点：

   （1）非规则模型，需要分割面；

   （2）分割面之前需要定义参考轴和参考面；
解决 第二个问题：定义轴和参考面

   将 Module  开到Mesh选项，然后在左侧工具栏倒数第五排找到 Creat Datum Axis—Axis of Cylinder,如下图所示。在点选球销后端圆柱轴的时候，会生成黄颜色轴线。

   然后定义参考面。这里点选倒数左侧工具图标的倒数第四栏，然后选择Create Datum Plane offset from plane ,也即通过点选已知平面偏移距离后生成新的平面。这一步操作后得到锥度面大端处的平面。

   完成这一步后，还需要生成XYZ三坐标面。同样也是在该坐标下实现。这两步完成好，为后续分割面做准备。如下图所示。


   解决第一个问题：分割面

   其实这里我是迷糊的，至少还不清醒。基本实现的方法是Partition Cell --Use Datum Plane，也即通过定义平面来分割子实体。所以按照提示，在点选这个图标后，就一步步选择上一步做好的多个平面，最后将球销分割成成对称分布的多部分，此时，也会发现球销的颜色变成了黄色。黄颜色提示在划分网格的时候，是可以采用Sweep的六面体方法进行网格划分。


   中间可能会遇到一些问题，比如你在分割后发现球销左右两端比较规则的部分变成了黄颜色，但是锥度大沟槽的位置是橙色，也即中间部分不能实现Sweep的划分，反正我是在这个过程中苦恼了一会儿，转而静下心来，我采用了以下的方法：

   还是通过此处的分割面命令，然后采用选择edge+point，也就是选择边线和点的方式对未分隔成功的面在进行分割，最终我是成功的将球销进行了网格的划分。

添加属性

添加属性操作。点击应力-应变曲线图标后，选择材料的弹塑性，因为这里参照书上给的40Cr，所以使用了杨氏模型210000，泊松比0.3，弹性屈服应力918MPa,塑性变形应力0。建好后，就是定义截面，分配属性，当操作完成后，Part 变成了绿色表示分配完成。

添加装配属性

这一步很简单，将工作定位到Assembly ，选择第一个图标分配属性，选择Part即可。此时，球销的颜色将变成蓝色。

添加分步Step

通过step定义分析类型，这里是屈曲分析，也就是不管输入load的大小，程序一直计算到球销失效为止，因此这里选用statics riks选项。

交互作用力interaction与施加约束Load

定义时，采用了集中载荷点约束。也即在全局坐标系的原点，也就是球销的端部处，通过Create Reference   Point实现，建立参考点RP1后，选择球销球面四瓣，实现集中载荷约束。操作如下所示。


   这里需要注意在建立约束点后，考虑到球销周侧是约束的，也即球销在xyz三个方向的平移自由度是固定死的，而在除了与轴线平行方向有转动自由度外，其他方向自由度是约束死的，因此，这里针对该坐标系下的自由度约束如下所示，


   在施加载荷的位置，也即RP1的位置，给定集中荷载，如下图所示。

提交作业Job

在完成以上操作后，可以在output定义输出量，然后 submit  作业即可。同时通过monitor 可以来监控软件的计算过程。当最终显示complete后即可。

后处理Result

我的电脑在我写到这里的时候算是算完了，当点选Result后，进入可视化界面，如下图所示。

   剩下的重点就是结果分析，因需要而定，这里不再多说了。

总结

1.模拟实现的关键在于网格划分；

   2.集中荷载和正确的边界条件约束；

   3.需要一台好点的电脑！

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