Goals

Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium

Laboratorium 2

Podstawy ABAQUS/CAE

1 |

S t r o n a

Analiza belki zginanej

Celem ćwiczenia jest wykonanie analizy prostego modelu, zginanej belki obciążonej ciśnieniem
rys. 1.

Rys. 1

Przykład obliczeniowy.

Ustawienia

Zdefiniować katalog roboczy:
C:/tmp/nazwisko_imie

Uruchomić program abaqus (Abaqus CEA)

Ustawić katalog roboczy:
File

– Set Working Directory:

C:/

tmp/nazwisko_imie (pisane razem bez polskich znaków)

Stworzyć nowy model:

1 sposób:
wybrać: Model - Create z górnego menu
w polu Name: BEAM
OK.

2 sposób:
wyświetlić drzewo historii modelu: View - Show Model Tree
ustawić wskaźnik myszy na (Models) i przycisnąć prawy klawisz (Rys. 2) a następnie
wybrać Create ..
w polu Name: BEAM
OK.

2 |

S t r o n a

Rys. 2 Menu Models (Modele).

Zwinąć drzewo historii dla Model-1 (kliknąć lewym klawiszem myszy wskazując [-] przy
Model-

1 i rozwinąć drzewo historii dla BEAM (kliknąć lewym klawiszem myszy wskazując

[+] przy BEAM.

Rys. 3 Drzewo historii.

Zapisać plik File



Save As

File Name: BELKA.
OK.

Automatycznie zostanie stworzony plik z rozszerzeniem .cea.

!!!

W trakcie pracy, należy bardzo często korzystać z możliwości zapisywania pliku z

zaadaniem File



Save. P

ozwoli to na uniknięcie problemów w przypadku zawieszenia

się systemu lub nieprzewidzianej przerwy w pracy programu. !!!

3 |

S t r o n a

Tworzenie części

W drzewie historii podwójnie kliknąć na Parts (Rys. 4.a) lub pojedyncze kliknięcie ikony
Create Part z menu podręcznego (Rys. 4.b).

Rys. 4

Tworzenie nowej części, korzystając: a) z drzewa historii; b) z podręcznego menu

związanego z modułem PART.

Pojaw

i się okno dialogowe, w którym należy wprowadzić nazwę części Belka, oraz

zmienić wartość Approximate size na 600.
Zaakceptować klikając Continue.
Wyświetli się obszar roboczy szkicu części, poniżej którego pojawi się w obszarze
podpowiedzi (Rys. 5):
tekst zachęty do wykonania działania „prompt”,

oraz trzy przyciski:
„backup” – powrót,
„cancel” – przerwij wykonywanie procedury lub funkcji,
„Done” – zatwierdź wykonanie procedury lub funkcji.

Rys. 5

Obszar podpowiedzi poniżej ekranu roboczego.

Obok obszaru roboczego pojawi się menu podręczne szkicownika.

Narysuj prostokąt:

Wybierz Create Lines: Rectangle

narzędzie do rysowania prostokątów (Rys. 6).

4 |

S t r o n a

Rys. 6

Wybór narzędzia do rysowania prostokątów.

W celu narysowania prostokąta należy kliknąć, w dowolnym miejscu ekranu
roboczego

, jeden narożnik; a następnie po przekątnej – drugi narożnik.

Można wprowadzić dokładne wymiary prostokąta korzystając z:

punktów siatki;
wprowadzając odpowiednie współrzędne punktu początkowego i końcowego w
obszarze podpowiedzi;
narysować dowolny prostokąt i go zwymiarować korzystając z Add Dimension
(Rys. 7).

Rys. 7

Narzędzia wymiarowania.

Prostokąt ma mieć wymiary 200x20 (Rys. 8).

Rys. 8

Wymiary prostokąta.

Kliknąć Done w obszarze podpowiedzi szkicownika.

Wprowad

zić wartość wyciągnięcia Depth: 25 w oknie dialogowym Edit Base

Extrusion,

i kliknąć OK.

W obszarze roboczym pojawi się stworzona część wyświetlona w rzucie
izometrycznym (Rys. 9).

Zmieni się również wartość wyświetlana przy ikonie

5 |

S t r o n a

Parts w drzewie historii

, co świadczy o utworzeniu jednej części w

nowym modelu.

Rys. 9 Widok stworzonej belki w rzucie izometrycznym.

Wprowadzanie danych materiałowych

Należy wprowadzić podstawowe dane przykładowego materiału, niezbędne do wykonania analizy
w zakresie sprężystym.
Przykładowy materiał to stal o module Younga 2.1x10

MPa

i liczbie Poissona równej 0.3.

Definiowanie materiału:

W drzewie historii podwójne kliknięcie na Materials w celu stworzenia nowego materiału
w modelu BEAM.
Pojawi się okno dialogowe Edit material, w którym należy wprowadzić nazwę materiału
STAL.

Następnie wybrać zakładkę Mechanical



Elasticity



Elastic (Rys. 10).

Rys. 10

Wprowadzanie danych określających cechy sprężyste materiału.

Wprowadzić wartość modułu Younga oraz liczby Poissona (Rys. 11).
!!! wartości dziesiętne zawsze oddzielane są kropką !!!

6 |

S t r o n a

Rys. 11 Wprowadzanie

wartości modułu Younga oraz liczby Poissona.

, żeby zatwierdzić i wyjść z edycji danych materiałowych.

Definiowanie i przyporządkowywanie grup właściwości.
Należy stworzyć grupę właściwości dla jednorodnej bryły i przyporządkować je do utworzonego
modelu geometrycznego.

W celu stworzenia grupy właściwości dla jednorodnej bryły, należy:

W drzewie historii podwójnie kliknąć Sections, żeby stworzyć grupę (section) w modelu
BEAM.
Pojawi się okno dialogowe Create Section.

W oknie Create Section

należy wprowadzić:

Nazwę grupy właściwości: Name: WlasciwosciBelki.

Zatwierdzić kategorię (Category) Solid i domyślny typ: Homogeneous.

Kliknąć Continue.

Pojawi się okno dialogowe Edit Section.

W oknie Edit Section:

Zatwierdzić nazwę materiału STAL z listy Material.

Zaakceptować domyślną wartość 1 z Plane stress/strain thickness.

Note:

(Dla trójwymiarowej geometrii, ta wartość nie ma znaczenia; jest istotna

tylko w przypadku elementów ).

Kliknąć OK.

W celu przyporządkowania (związania) zdefiniowanej grupy właściwości z konkretną
częścią należy:

Rozwinąć drzewo historii modelu zaczynając od zakładki Parts (1), aż do pojawienia się
Section Assignments (

Rys. 12

7 |

S t r o n a

Rys. 12 Drzewo historii modelu – Section Assgnments.

Podwójnie kliknąć Section Assignments (w obszarze podpowiedzi pojawi się tekst:

Wskaźnikiem myszy najechać na model belki (krawędzie zmienią kolor na
pomarańczowy) i kliknąć lewy przycisk myszy (krawędzie zmienią kolor na czerwony).

iknąć Done.

W oknie dialogowym Edit Section Assignment

wybrać z listy Section i zaakceptować

nazwę grupy właściwości (wcześniej zdefiniowanej) WlasciwosciBelki i kliknąć OK.

ABAQUS/CAE

zmieni kolor części na zielony.

Składanie modelu – przeniesienie części do globalnego układu współrzędnych
W tym przypadku złożenie modelu będzie składało się z jednej części nazwanej Belka.

W celu wprowadzenia części do globalnego układu współrzędnych (wykonania złożenia)
należy:

W drzewie historii rozwinąć zakładkę Assembly i podwójnie kliknąć Instances w celu
dodania części.

ABAQUS/CAE

przełączy się do modułu Assembly i otworzy okno dialogowe Create

Instance.

W oknie dialogowym Create Instance

należy wybrać z listy Belka i kliknąć OK.

ABAQUS/CAE

wyświetli wczytaną część w oknie roboczym modułu Assembly..

Konfiguracja analizy

– definicja parametrów zadania.

Niniejsze zadanie jest przykładem badania statycznego oddziaływania ciśnienia, przyłożonego do
górnej powierzchni belki, na badaną konstrukcję. Zakładamy, że naprężenia nie mogą
przekroczyć granicy plastyczności – to znaczy, że przyjmujemy liniowo-sprężystą charakterystykę
materiału. W związku z powyższym definiujemy parametry dla liniowej, statycznej (niezależnej od
czasu) analizy. W celu zdefiniowania takiej analizy nale

ży zdefiniować następujące kroki

obliczeniowe:



Krok wstępny, w którym zostaną zdefiniowane warunki brzegowe.



Podstawowy krok obliczeniowy, w którym będą zadawane obciążenia.

8 |

S t r o n a

W ABAQUS/CAE

krok wstępny (initial step) jest generowany automatycznie, natomiast

użytkownik musi zdefiniować podstawowy krok obliczeniowy.

W celu wygenerowania podstawowego kroku analizy należy:

Podwójnie kliknąć Steps w drzewie historii.

ABAQUS/CAE

przełączy się do modułu Step i otworzy okno dialogowe Create Step.

W oknie dialogowym Create Step:

Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na ObciazenieBelki.

Z listy Procedure type:

wybrać: Linear perturbation, a następnie kliknąć:

Static, Linear perturbation

, które powinno być domyślnie podświetlone.

Kliknąć Continue.

Pojawi się okno dialogowe edytora parametrów kroku obliczeniowego (Edit Step).

W oknie dialogowym Edit Step:

zakładce Basic, w polu Description, można wprowadzić opis wykonywanej

analizy np.: Obciazenie cisnieniem przylozonym do gornej powierzchni belki.

W zakładce Other powinny pozostać domyślne ustawienia (Method: Direct,
Matrix strage: Use solver default).

Kliknąć OK, żeby stworzyć krok obliczeniowy oraz wyjść z edytora.

Wstawianie warunków brzegowych oraz obciążenia
Do przygotowanego modelu należy wprowadzić odpowiednie warunki brzegowe, wynikające ze
sposobu utwierdzenia konstrukcji. Należy również wprowadzić właściwe obciążenie, wynikające
ze sposobu obciążenia konstrukcji.

W celu wprowadzenia warunków brzegowych należy:

W drzewie histori kliknąć BCs, co spowoduje przejście do modułu Load oraz otwarcie
okna dialogowego Create Boundary Condition.

2. W oknie dialogowym Create Boundary Condition:

Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na Fixed.

Z listy Step

: wybrać: Initial jako krok, w którym powinny być wprowadzone

warunki brzegowe.

Z listy Category,

wybrać Mechanical, co oznacza, że będą definiowane

mechaniczne warunki brzegowe.

Z listy Types for Selected Step,

wybrać Displacement/Rotation, co pozwala

wprowadzanie blokowania przemieszczeń i obrotów dla wybranych punktów

(obszarów) modelu .

Kliknąć Continue.

ABAQUS/CAE

wyświetli kolejno odpowiednie komunikaty w linii podpowiedzi

(poniżej ekranu roboczego).
Należy wskazać obszar dla którego będą definiowane warunki brzegowe (Select
regions for the bundary conditi

o) wykonując następujące czynności:

Kliknij ikonę Show/Hide Selection Options

w linii podpowiedzi. Pojawi się okno

dialogowe Options

, w którym należy wyłączyć Select the Entity Closest to the Screen

co pozwoli na wybranie „tylnej” teoretycznie niwidocznej powierzchni belki

Rys. 13

9 |

S t r o n a

Rys. 13 Zaznaczanie powierzchni, która ma zostać utwierdzona.

Kiedy kursor myszy zostanie ustawiony na tej powierzchni, ABAQUS/CAE zmieni kursor,
dodając do strzałki trzy kropki po prawej stronie

...

co pozwala na wybór jednego z

dostępnych, nakładających się na siebie obiektów. Należy kliknąć lewy klawisz myszy, a
następnie korzystając z przycisków Next lub Previous (następny lub poprzedni) wybrać
właściwą powierzchnię. W celu akceptacji wyboru kliknąć OK.

W celu

zatwierdzenia wyboru kliknąć Done.

Pojawi się okno dialogowe Edit Boundary Condition. Należy zablokować wszystkie
przemieszczeniowe stopnie swobody. W tym celu należy:

Zaznaczyć U1, U2, U3, co powoduje blokadę przemieszczeń na kierunku 1, 2, 3
(X, Y, Z).

Kliknąć OK, co spowoduje zatwierdzenie zdefiniowanych warunków brzegowych
i

wyjście z edytora.

ABAQUS/CAE

wyświetli strzałki oznaczające wprowadzone stopnie swobody

Rys. 14

W celu przyłożenia obciążenia do górnej powierzchni belki:

W drzewie historii należy podwójnie kliknąć Loads.
Pojawi się okno dialogowe Create Load.

W oknie dialogowym Create Load:

Wprowadzić nazwę zmieniając wartość Name: na Cisnienie.

Z listy Step

: wybrać: ObciazenieBelki jako krok, w którym powinny być

wprowadzone warunki brzegowe.

Z listy Category,

zaakceptować zaznaczenie Mechanical.

Z listy Types for Selected Step,

wybrać Pressure, pozwoli na wprowadzenie

obciążenia w postaci ciśnienia przyłożonego do wskazanej powierzchni.

Kliknąć Continue.

ABAQUS/CAE

wyświetli kolejno odpowiednie komunikaty w linii podpowiedzi (poniżej

ekranu roboczego).
Należy wskazać powierzchnię, do której będzie przyłożone ciśnienie (Select surfaces for
the load).

10 |

S t r o n a

Należy kliknąć górną powierzchnię analizowanego modelu

Rys. 14

Rys. 14 Strzałki oznaczające wprowadzone stopnie swobody oraz powierzchnia do której zostanie

przyłożone ciśnienie.

Kliknąć Done w celu potwierdzenia wyboru powierzchni.

W oknie dialogowym Edit Load

wprowadzić właściwą wartość ciśnienia (0.5 MPa):

W polu magnitude

wpisać 0.5.

Kliknąć OK, co spowoduje zatwierdzenie wprowadzonego obciążenia i wyjście z
edytora.

ABAQUS/CAE

wyświetli strzałki skierowane prostopadle do powierzchni obciążanej.

Tworzenie siatki MES

Należy przejść do modułu Mesh, który zawiera narzędzia niezbędne do wygenerowania
elementów skończonych tzw. „siatki”. Pozwala na wybór techniki tworzenia siatki, rodzaju oraz
typu elementów. W ABAQUS/CAE do wyboru jest wiele różnych technik wykonywania siatki.
Domyślny sposób podziału jest określany za pomocą koloru przyporządkowanego do obszarów
modelu. Kolor pomarańczowy oznacza, że system ABAQUS/CAE nie ma możliwości
wygenerowania siatki i trzeba model podzielić na mniejsze, bardziej regularne obszary.

Kolor zielony

oznacza, że jest możliwość wygenerowania siatki strukturalnej (dla modeli

powierzchniowych

– zbudowanej z elementów czterobocznych), dla modeli bryłowych, tak jak w

analizowanym aktualnie przypadku, zb

udowanej z elementów sześciennych.

W celu wygenerowania siatki należy wykonac następujące czynności:

Zdefiniować parametry siatki:

W drzewie historii rozwinąć zakładkę Parts (1), zakładkę Belka, podwójnie kliknąć Mesh

Rys. 15

ABAQUS/CAE

przejdzie do modułu Mesh i wyświetli część nazwaną Belka.

Z menu głównego wybrać Mesh



Controls.

W oknie dialogowym Mesh Controls,

zaakceptować kształt elementu Hex (sześcian),

który jest domyślnym typem elementu dla siatki strukturalnej, zaznaczanym w liście
Element Shape.

11 |

S t r o n a

Na liście Technique zaakceptować Structured (generowanie siatki strukturalnej) jako
domyślną technikę tworzenia siatki.

Kliknąć OK w celu zatwierdzenia wybranego sposobu tworzenia siatki i przejść do
wyboru typu elementów.

Rys. 15 Przechodzenie do modułu Mesh w celu wygenerowania siatki.

Zdefiniować i przyporządkować odpowiedni typ elementu:

Z menu głównego, wybrać Mesh



Element Type.

W oknie dialogowym Element Type,

zaakceptować następujące domyślne parametry:



Standardowe elementy z biblioteka elementów Element Library→Standard.



Klasa elementu (rodzaj funkcji kształtu) – wybieramy elementy z liniową funkcją
kształtu Geometric Order→Linear.



Rodzaj elementu trójwymiarowy do analiz naprężeniowych Family→3D Stress.

W dolnej części okna dialogowego, wyświetlany jest symbol i opis zdefiniowanego
elementu.

Jeżeli nie zostały zmienione ustawienia domyśne to mamy:

C3D8R: An 8-node linear brick, reduced integration, hourglass control.

Należy zmienić ustawienia domyślne w zakładce Hex i wyłączyć redukcję punktów
całkowania Reduced integration (odznaczyć).
W dolnej części okna dialogowego powinien się zmienić symbol i opis wybranego
elementu: C3D8: An 8-node linear brick.

Kliknąć OK, żeby zatwierdzić ustawienia typu elementu i zamkąć okno dialogowe.

Wykonać siatkę MES:

Z menu głównego, wybrać Seed



Part

co pozwali na zdefiniowanie gęstości siatki

(wielkości elementów).
Pojawi się okno dialogowe Global Seeds. Opcja ta pozwala na zdefiniowanie
przybliżonej, globalnej (ogólnej dla całego modelu) wielkości elementów – długości
krawędzi elementów.

Należy zmienić domyślną wartość długości krawędzi, wprowadzając wartość 10 w polu
Approximate global size:

i klknąć OK.

ABAQUS/CAE

doda punkty podziału do analizowanej części

Rys. 16

12 |

S t r o n a

Rys. 16 Zdefiniowane punkty podziału siatki MES.

Z menu głównego, wybrać Mesh



Part w celu wygenerowania siatki.

Kliknąć Yes w linii podpowiedzi, poniżej ekranu roboczego.

ABAQUS/CAE wygeneruje siatk

ę, która ma wyglądać jak na

Rys. 17

Rys. 17 Analizowana część z nałożoną siatką MES.

Tworzenie i uruchamianie zadania obliczeniowego
Ponieważ przygotowywanie modelu MES zostało zakończone, można przystąpić do
uruchomienia solvera i wykonania analizy stworzonego modelu.

Do tego celu służą narzędzia

znajdujące się w module JOB.

W celu uruchomienia o

bliczeń należy:

W drzewie historii podwójnie kliknąć Jobs.

ABAQUS/CAE

przełączy się do modułu Job i wyświetli okno dialogowe Create Job.

W oknie dialogowym Create Job,

wpisać nazwę (Name:) Belka i wybrać model BEAM.

Kliknąć Continue.
Pojawi się okno dialogowe Edit Job.

13 |

S t r o n a

W oknie dialogowym Edit Job, w polu Description

wpisać tekst Belka zginana - Analiza

1 .
Kliknąć OK.

W drzewie historii rozwinąć zakładką Jobs, umieścić wskaźnik myszy na nazwie zadania
obliczeniowego Belka

i kliknąć prawy klawisz myszy.

Z dostępnych opcji wybrać Submit.

W trakcie wykonywania zadania przy nazwie Belka

, w nawiasach będzie wyświetlany

status Running.

Po zakończeniu obliczeń, zmieni się status zadania na Completed -

Rys. 18

Rys. 18 Status zadania wyświetlany w drzewie historii.

Wyświetlanie wyników

Teraz można przejść do przeglądania i sprawdzania wyników. Do tego celu służą narzędzia
znajdujące się w module Visualization.

W drzewie historii rozwinąć zakładką Jobs, umieścić wskaźnik myszy na nazwie zadania
obliczeniowego Belka

i kliknąć prawy klawisz myszy.

Z dostępnych opcji wybrać Results.

ABAQUS/CAE

przełączy się do modułu Visualization i otworzy bazę danych stworzoną

na potrzeby zadania Belka - wczytany zostanie plik z wynikami Belka.odb.

Wyświetlony

zostanie również podstawowy widok analizowanego modelu

Rys. 19

Rys. 19 Podstawowy widok modelu po wczytaniu wyników obliczeń.

Z menu głównego należy wybrać Plot



Undeformed Shape co pozwoli na

wyświetlenie

zdeformowanego

kształtu modelu

Rys. 20

14 |

S t r o n a

Rys. 20 Zdeformowany kształt modelu.

Można użyć funkcji automatycznego dostosowywania skali obiektu do wielkości ekranu

roboczego Auto-Fit View

W celu

wyświetlenia i sprawdzenia naprężeń zredukowanych należy wybrać z menu

głównego Plot



Contours



On Deformated Shape

Rys. 21

Rys. 21 Mapa naprężen zredukowanych wg hipotezy Misesa (Hubera).

Przed zakończeniem pracy z programem ABAQUS/CAE należy zapisać plik korzystając
z menu głównego File



Save

, a następnie zakończyć pracę wybierając File



Exit.

Pliki niezbędne przy przenoszeniu danych na inny komputer:

BELKA.cae

BELKA.jnl

Belka.odb.

15 |

S t r o n a

Modyfikacje zadania:

Kopiowanie modelu w celu dokonania zmian:

W drzewie historii

umieścić wskaźnik myszy na nazwie modelu BEAM i kliknąć prawy

klawisz myszy.
Z dostępnych opcji wybrać Copy Model.
Zmienić nazwę na BELKA-2.
Kliknąć OK.

Rozwinąć drzewo historii dla modelu BELKA-2.

Zmiana gęstości siatki:

Wprowadzić modyfikacje siatki, celem uzyskania czterech elementów na grubości
analizowanej belki.

Przejść do modułu Mesh (sprawdzić czy zmiany dokonywane są w modelu BEAM-2 dla
części o nazwie Belka.

Z menu głównego wybrać Seed



Edge By Number (funkcja ta pozwala na

zdefiniowanie liczby

węzłów leżących na krawędzi).

Wskazać wszystkie cztery pionowe krawędzie.
Kliknąć Done, a następnie potwierdzić, klikając OK. cheć usunięcia istniejącej siatki
elementów.
W oknie edycyjnym, na pasku podpowiedzi

wprowadzić wartość 4.

acisnąć Enter.

Potwierdzić wprowadzenie zmian, klikając Done.

Ponownie

wygenerować sietkę elementów Mesh



Part



Yes.

Zmi

ana kształtu analizowanej belki:

Celem analizy jest sprawdzenie i

porównanie wytrzymałości belki o takich samych wymiarach

zewnętrznych, tylko o innym kształcie przekroju. Należy wykonać dwie analizy dla
następujących kształtów przekrojów i sposobów przyłożenia obciążenia: