使用Include构建面向对象的Abaqus分析
作者：王永冠　卜继玲　姜其斌　李心
来源：《计算机辅助工程》2013年第05期
        摘要： 简要阐述面向对象的基本概念和思想，介绍利用Abaqus中的Include功能构建面向对象分析任务的思路.以铁路行业典型单组件产品与多组件装配体产品分析为例，具体描述面向对象分析任务的结构和构建方法.展示以面向对象分析为核心思想的Include构建分析任务的优越性.
        关键词： 面向对象； 抗侧滚扭杆； Abaqus； Include
        中图分类号： TB115.1文献标志码： B
        引言
        产品概念设计阶段经常会出现多种结构方案优选的情况.此时需要采用CAE方法来进行比选.尽管产品的功能目的一致，但其结构存在一定的差异，因此在进行有限元分析时，需要重复进行大量的分析模型前处理工作.特别是对于复杂产品结构，由于其中含有大量不同形式
的受力结构件（如抗侧滚扭杆的连杆、橡胶球头、橡胶套筒、扭杆和支座等），往往零件的更换会使整个产品重新进行分析前处理工作.建立这类结构件有限元模型时不同的模型简化处理方式往往导致差别较大的分析结果，导致CAE分析过程效率低，分析结果可靠性差.[1]本文介绍的利用Include功能构建面向对象的分析任务，可以为结构设计分析工作提供一种简单、快速的建模分析工作思路.
        1面向对象方法
include怎么用        长期以来，人们一直在设法争取使问题空间与求解空间在结构上尽可能一致，也就是说，使分析、设计和研究系统的方法学与人们认识客观世界的过程尽可能一致，这也正是面向对象方法学的出发点和追求的原则.面向对象的方法认为，客观世界由许多各种各样的对象组成，每个对象都有自己的内部状态和运动规律，不同对象之间的相互作用和联系构成各种不同的系统，这与人们认识世界的自然思维方式是一致的.
        面向对象的方法是一种在分析和设计阶段独立于程序设计语言的概念化过程，它是一种程序设计技术，更重要地，它是一种新的思维方式，是一种完全不同于传统功能设计的方法.
        面向对象分析、面向对象设计和面向对象程序设计是面向对象方法学提供的3种主要技术手段.面向对象分析基于对象思想描述问题域和系统任务，而面向对象设计则是面向对象分析的扩充，主要是增加各种实现软件系统所必需的组成部分，从面向对象分析到面向对象设计是一个逐步扩充模型的过程.面向对象的分析设计遵循抽象、封装性、多态性和继承性的原则.[26]
        2Include介绍
        Abaqus中的Include功能提供一种简单、快速地构建有限元分析任务的思路.Include将一个或多个外部文件作为数据块引入计算文件中，形成一个总的文件用于计算.Include不但可以在inp文件中引入外部文件数据，也能在CAE中实现外部数据文件的引入，比如材料编辑器就可以读入外部ASCII文件.通过它，可以指定任意外部数据文件成为分析工作的一部分，这些外部数据文件可以是模型、历史输出、注释或其他参考.当程序执行工作文件遇到Include时，无论它在哪里，都转向执行外部数据文件，当外部文件执行完后，又继续处理原来的工作文件.这种功能的核心就是在主分析中的外部文件或数据块指针，这具备构建面向对象思想的分析基础.
        3构建面向对象分析
        使用inp文件可以方便地描述模型参数、控制分析过程.文献[7]详细地介绍inp文件的结构和创建.可以认为一个inp任务主要由4种数据对象构成：有限元模型对象（节点、单元集和单元属性）、材料属性对象或对象属性、初始边界对象（包括约束条件）、一个或多个载荷步对象（包括边界条件、接触条件、计算控制参数集和结果输出等众多对象属性）.无论对象还是对象属性都可以由单独的外部文件描述，而Include可以将这些独立外部对象文件组成一个完整的分析工作，可视Include为在主工作分析文件中这些单独对象文件的指针.图1可简单示意各对象与主工作文件的关系.每一个框图都是一个对象或对象属性，每一个对象或属性数据都可以作为一个外部文件，用Include引入.
        图 1完整的面向对象分析文件构成示意
        在产品设计初期阶段，结构设计工程师的工作是通过计算遴选多个方案，比较、确定产品结构和材料.因此，对于一个既定产品结构分析工作，只有模型结构和材料是变化的，而边界条件、载荷、接触、控制参数和输出量等都是确定的，因此能将整个分析工作分隔成几个特定功能或对象模块.在特定的分析中，仅变动其中个别对象，而其他对象始终不变.由此可
见，Include提供一种面向对象的构建分析工作的思路，而按这种思路建立的多个ASCII文件集合即是Abaqus面向对象分析任务.使用ASCII文件来封装上述的对象或对象属性而非编译后的程序.这使得改动工作变得非常容易且迅速.改动工作不仅指特定类型产品分析任务的改进，也指修改已有任务、建立新类型产品分析任务的工作.在Abaqus执行文件inp内，载荷、约束、接触和材料属性赋值等都通过节点、单元或面的集合名称确定.inp文件按特定名称指定的节点、单元和面等执行相关计算分析，因此可方便地进行对象属性确认.综上所述，把一个由特定结构组成的产品的inp工作执行文件按功能和特性分为几个不同对象内容，每次具体计算只改动需变化的一两个文件就能形成完整的执行文件inp的创建，可节省大量的重复劳动.这就是本文面向对象分析任务的构建思路.由于整个面向对象分析都由inp文件集合构成，因此基于面向对象的任务文件执行基本不受Abaqus版本的限制.
        下面以2个铁路行业典型产品来说明Include面向对象分析任务的创建思路.
        3.1胶垫板结构分析
        以单个组件产品为例，介绍Include面向对象分析在快速分析中的应用.胶垫板是轨道扣件系统的一个重要部件.对于无碴轨道，胶垫板起减振和隔振作用，决定轨道的弹性性能，具
体结构类型介绍参见参考文献[8].某胶垫板产品的原型结构见图2.产品施加集中力于工装上端板，工装下端板固定，简化为1/4模型（见图2）.
        对于分析任务，本案例只调整胶垫板结构以满足强度和刚度的要求.因此，只有胶垫板模型对象FEA_MODEL.inp不断变化，其他工装模型、边界条件、载荷条件、接触设置、材料参数和结果输出设置等对象或属性则一律不变.很明显，由于主分析文件只包含工装模型、材料参数以及其他引入文件命令（见图4），因此它是不变的.载荷步对象包括载荷（位移和力）、计算参数和结果输出等属性定义，见图5.这部分都可由集合名称定义，故当针对某一特定结构产品时，这个文件也是不变的.初始条件及约束对象与载荷步一样，其内容也是固定不变的，见图6.因此，对于分析产品调整，整个分析任务中只有FEA_MODEL模型对象需要改动.如图7所示，胶垫板产品模型的节点、单元，节点集和单元集等信息都存在于FEA_MODEL模型对象里.
        直接在Command中执行Main_FE_JOB.inp即可计算.本次案例计算结果的应力云图和刚度曲线见图8.结果不理想，需要调整结构.有2种不同结构的胶垫板可以尝试计算，见图9.以后的工作只需使用不同结构产品的模型对象FEA_MODEL.inp，其他完全不用处理.具体细节
不再赘述.这里有2个关键细节需要注意：一是不能改动节点集、单元集的名称，因为接触、加载、材料赋值和结果输出等定义全部依赖于集合的名称；二是要注意胶垫板产品模型的节点、单元序号的范围，不能与主文件中工装的相关序号冲突.
        图 8原型胶垫板有限元计算结果
        （a）（b）图 9其他2种不同结构的胶垫板设计
        3.2抗侧滚扭杆系统分析
        上例为单组件产品，而本案例为由多组件装配而成的产品结构分析，情况更为复杂，使用Include构建面向对象分析任务的优势更大.抗侧滚扭杆能使车辆具有良好的垂向振动性能和抗侧滚性能[9].某型抗侧滚扭杆产品包括吊杆、吊杆上球铰（球铰又包含芯轴、外套与胶层）、吊杆下球铰、摆臂、支座和扭杆等13个组件.支座固定约束；垂向载荷施加于吊杆上球铰芯轴，模型及加载示意见图10.抗侧滚扭杆各组件相互组装关系和有限元模型构建详见参考文献[10].

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