Abaqus在八大工程領域中的應用

Abaqus是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。

Abaqus在各國的工業和研究中得到廣泛的應用，在大量的高科技產品開發中發揮著巨大的作用。下面，我們一起看下Abaqus在八大工程領域中的應用。
一、建筑工程
隨著國民經濟的發展以及我國改革開放的深入，土木行業也得到了前所未有的發展，目前建筑物不光越來越高大，而且越來越美觀、結構越來越復雜，同時又給結構設計帶來了巨大挑戰，對復雜建筑結構做靜、動力計算已經變得必不可少，Abaqus在建筑結構行業也得到廣泛應用。以下是其具體應用。
1.高層建筑結構的振型分析
Abaqus提供了三種求解振型的方法：Lanczos方法，Subspace方法和AMS方法，其中AMS方法（自動多重子結構法）對于大規模問題的振型分析速度是傳統Lanczos方法的10倍以上。
2.高層剪力墻彈塑性動力分析
近年來，隨著建筑行業新標準的正式實施，對建筑結構的彈塑性分析要求終于被正式地寫人行業規范之中。為滿足結構的二階段設計抗震設防要求，各地有大量的超高層建筑或標志性工程被要求進行彈塑性分析，以保證這些建筑物在發生數百年一遇的罕遇地震時仍能保證足夠的承載力，不至于造成過大的生命和財產損失。
3.框架結構地震響應分析
針對動力學問題，尤其地震響應，Abaqus既采用隱式動力學算法，同時也可以進行顯式動力學分析，在時域內對結構的響應問題進行分析。
下圖是央視大廈的地震響應分析結果。

4.空間網殼結構的屈曲分析
空間網殼結構的屈曲分析是此類結構的重要分析內容，下圖是上海世博軸陽光谷的屈曲分析。

5.體育場結構分析
深圳市大運會主體育場位于深圳市大運中心，是深圳市政府為第26屆世界大學生運動會新建的主體育場。
這座體育場總共有20個支座，每個支座都是采用“倒扣碗”的方式來實現理想餃接，即“球在下，碗在上”。

結構主受力桿件遭受恐怖襲擊，發生局部斷裂時的抗倒塌能力。結果證明結構有足夠的安全儲備，只發生局部損壞，不會出現倒塌。

6.混凝土開裂分析
XFEM技術，可以模擬如混凝土等材料的斷裂。斷裂面可以穿透單元，無須加密網格就可以捕捉到裂紋開裂走向。
另外SPH方法也可以用于模擬混凝土等結構受沖擊載荷的開裂問題，也無須事先定義裂紋路徑。

二、巖土工程
Abaqus可以很好地模擬巖土的力學性能及對巖土工程的各個方面進行模擬包括非線性應力一應變關系、瞬態固結、穩態流變、井點降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應力-變形與穩定性、邊坡應力及穩定性、邊坡和酮室錨固效應分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、預應力鋼筋、鋼支撐、隧道加強筋等鋼結構與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴展過程模擬，以下是幾個典型應用實例。
1.地下結構開挖問題
工程結構總是按照一定的操作順序施工的，控制條件不一定是施工結束時，而往往在施工過程中。巖土工程分析要動態地模擬施工過程中結構形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性，只能用計算過程的模擬才能體現出來，也就是說巖土工程分析應當是一種動態的過程分析，只有進行過程分析，其結果才是合理的。上海虹口商貿城非?？拷罔F8號線和3號線，最近處僅幾米，應用Abaqus評估商貿城地下結構的開挖對地鐵的影響程度。

2.邊坡穩定的剪切帶計算
剪切帶現象的本質是材料的不穩定性，材料不穩定研究中的一個十分重要的問題是多尺度和標度律的問題。在材料發生不穩定性時，不同的物理過程，不同的微一細觀結構，在某個時間尺度內，將以其特有的動力學行為，在某個特征尺度上表現自己，它對計算力學構成了嚴重的挑戰。

3.節理材料的邊坡穩定性分析
巖石是一種非常復雜的材料。其材料屬性不光表現高度非線性,而且由于節理的存在表現各向異性。Abaqus在巖石方法不光提供了巖石的塑性屬性，而且提供了其節理屬性。

4.某高層建筑倒塌分析
高層建筑通常采用樁筏基礎，樁筏設計部合理或者受到特殊載荷會導致基礎破壞，導致建筑物倒塌。

三、橋梁工程
結構涉及幾何非線性問題，這種非線性是由于大位移、彎矩和軸力之間的相互作用而產生的，任何一個實際的工程問題都希望能根據設計方案，從理論上、計算上以及試驗上對其進行校核，將方案做得更經濟實用，風險降到更低。對于設計之后的分析，用于設計的近似方法已經不能提供足夠的精確度，我們必須建立準確的模型，借助計算機精確地分析結構。

1.橋梁施工過程模擬
在橋梁施工方面Abaqus提供了單元生死(Model Change)、鋼筋混凝土材料屬性以及鋼筋預緊力等功能。下圖是某大橋施工過程的模擬。

2.橋梁模態分析
Abaqus提供了兩種求解振型的方法:Lanczos方法和Subspace兩種方法，兩種方法各有優缺點，分別實用于規模較大，頻率提取多的結構和規模小，頻率提取少的結構。右圖橋梁長140m，高80m。其一階和四階振型如下圖所示。

3.美國金門橋地震響應分析
Abaqus有功能強大的顯式求解器，下圖是利用Abaqus顯式求解器對美國金門大橋做的地震響應分析。

4.橋梁結構拓撲優化
Abaqus6.11推出了拓撲優化技術，支持接觸、幾何非線性、材料非線性及制造約束。一般通過5~50次設計循環將獲得滿意結果，優化后的幾何模型還可以通過Abaqus/CAE導出為STL文件或者INP文件，供設計使用。下圖為某橋梁的拓撲優化結果。

四、水工工程
Abaqus對于模擬諸如大壩等建筑物的力學行為具有強大的優勢，可以對這些結構的穩定性和應力狀態進行分析計算，并且可以進行防滲計算。在計算中可以考慮水壓力、溫度場、滲流場、重力場作用以及溫度場和力場、滲流場和力場的耦合。
1.土壩施工、快速降水及抗震分析
當土體的坡度小于一定值時，土壩的結構取決于土體保持穩定的能力。但是在一定的載荷情況下，土體的穩定性要做折衷處理，在設計過程中要考慮到這些載荷情況。

1）施工模擬
分析過程：在第一階段，去掉大壩各單元，將巖石層在地壓或重力作用下的變形進行建模。在每個階段加入新的填筑層。在填筑每一層時進行瞬時固結分析。
2）蓄水模擬
所有三層構筑完成后,水壩分三個階段蓄水，并求解蓄水結束后的穩態過程。
3）快速降水模擬
分析水庫中的水在7小時內全部放干，土壩的應力、孔壓等的變化情況。
4）抗震模擬
因為地震的載荷是動態的，所以應該考慮全部的慣性力，包括土壩內孔隙中流體和水庫中水的影響。

2.柯依納(Koyna)重力壩抗震分析

壩基尺寸長為103m，寬71m，當地發生地震時，水庫的水位為91.75m。采用Abaqus對該壩在實測的地震加速度作用下的結構響應分析，采用混凝土損傷塑性材料模型，分析結構的穩定性和任意載荷作用下結構的破壞情況。

3.海堤抗波浪荷載分析

海浪的運動形式是復雜的，如何有效分析其對水工結構的影響一直是困擾理論界的問題，Aalborg大學的工程師利用Abaqus分析在不穩定頻率下波浪對海堤的影響。

4.水電站直埋式蝸殼結構分析

直埋式蝸殼即鋼蝸殼外直接澆注混凝土,屬于完全聯合承載結構，是一種為解決高HD值管道結構鋼襯厚度過大并保證其整體安全性的設計理論和工程技術，像三峽電站這么大直徑蝸殼結構的采用直埋方案，國內外尚沒有先例。因此，專題立項對其中的關鍵問題加以深入研究，為方案論證和結構設計提供可靠依據。

5.巴拿馬運河擴建項目抗震分析
在巴拿馬運河擴建工程中，面對極其巨大的水閘（55米寬、427米長、31.3米高)，設計人員最終選擇達索系統的Abaqus作為項目的抗震分析軟件。
·Abaqus強大功能和靈活性適用于模擬復雜問題
·界面接觸(允許在地震作用下混凝土和巖石之間發生分離和滑移)非線性材料(Mohr-Coulomb plasticity model and hardening)
·吸能邊界條件
·水對抗震的影響
·統一前后處理界面和方便的流程自動化

五、防火工程
建筑物中的火的發展包括火災起始，充分發展，衰滅三個階段，是一個復雜的燃燒，傳熱，傳質，湍流過程，其中涉及到各種非線性問題。Abaqus強大的非線性功能可以很好的模擬火在建筑物中的傳遞，以及整個結構和構件的變形直到其徹底失效。
1.鋼結構構件的防火分析
在強烈的高溫作用下，鋼結構簡體的承載強度迅速下降，二十分鐘之后就出現徹底破壞。以下是模擬鋼框架梁發生火災，以獲得火災設計失效時間以及特定條件下火災計算公式。

2.鋼結構建筑防火分析
以下是八層鋼框架結構在四層出現火災時的有限元模擬，考慮到火的流動形式對變形的影響。最后計算了結構構件發生火災時截面變形?？梢钥吹交鸬牧鲃臃绞讲煌瑢е抡w結構失穩的形式也是不同的。

3.鋼筋混凝土結構構件防火分析
鋼筋混凝土結構在火災下自我保護能力明顯的高于鋼結構，但是鋼筋混凝土材料本身的非線性使得問題的分析要比單純鋼結構更加復雜。以下是國家某自然資金項目，采用Abaqus分析梁柱節點在火災下的變形和應力，以及破壞部位，進而探討采取何種方法延緩破壞的發生。

4.鋼筋混凝土建筑整體防火分析
世界著名結構公司Arup使用Abaqus軟件進行火災分析，以探討在火災情況下結構失效機理，發生部位，以及如何避免發生火災后高層建筑結構可能失效的發生，從而幫助公司穩固在建筑結構行業的領先地位。

當三層受火時，構件在短時間內被加熱到800℃，周邊的柱以及拱頂達到400℃左右，受火一小時之后可以在最終破壞形式圖中看到塑性餃的出現，從而導致結構的最終破壞。
六、交通工程
交通工程涉及到道路，機場跑道，地鐵，軌道交通以及鐵路等，Abaqus由于其先進的非線性分析功能，能夠很好的模擬真實的土壤同接觸物的關系，因此在各個方面得到廣泛的應用。
1.鐵軌的應力分析
印度IIT Kanpur大學的工程人員利用Abaqus進行鐵軌的應力分析，考慮到在鐵軌中的裂縫和可能存在瑕疵。
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Abaqus可以模擬各種可能的缺陷，比如焊接接口，在不同鐵軌之間的連接，以及其他可能的裂縫。
2.機場跑道分析以及設計
為了設計新型飛機的跑道，rowan university的設計人員利用Abaqus進行設計分析并且同試驗結果進行對比，以分析目前跑道的性能，是否適合于新型飛機。同時通過分析結果改進現有跑道土層和覆蓋層的厚度和等級。

3.普通道路在移動荷載下分析
應用輪胎/地面接觸三重非線性的分析方法，應用Abaqus建立輪胎/地面接觸有限元模型，考慮了輪胎、土壤材料非線性、幾何非線性和輪胎/土壤接觸非線性。
4.組合式混凝土護欄沖擊分析
采用Abaqus/Standard對組合式鋼筋混凝土護欄的結構進行仿真分析。在模型中，考慮到材料、幾何和接觸等非線性因素對模擬的影響，通過分析，對結構的合理性給出評價，并對結構的受力分析，給出滿足設計要求的鋼筋和螺栓尺寸。

5.板式無酢軌道結構的行車動力特性研究
無碴軌道是一種新型軌道結構，以混凝土或瀝青混合料等取代散粒道碴道床而組成的軌道結構型式，具有軌道整體性好（強度、穩定性與耐久性)，軌道幾何形位能持久保持，平順性高，剛度均勻性好，養護維修工作量顯著減少，服務期長，軌道結構高度低、自重輕，無高速運行下的道碴飛濺等特點。
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七、海洋工程
海洋工程領域是Abaqus應用的重要方面，在此領域Abaqus有著優秀的解決復雜非線性動力學問題的經驗,美國船級社（ABS)，中國船級社等多個國家的船級社以及海洋結構設計公司采用A baqus作為主要分析軟件。
1.海洋平臺的安全分析
“南海五號”是由挪威設計的“Pacesetter”型半潛式鉆井平臺，設計壽命為20年。采用設計波方法和三位線性水動力理論并自行開發軟件對波浪載荷進行計算。有限元模型前處理通過PATRAN軟件完成，后處理通過Abaqus軟件完成。模型共有150320個節點、273065個單元，對平臺在自存、作業、拖航狀態下的22個工況按DNV規范進行了詳細評估與評價。
“渤海8號”海上自升式鉆井平臺始建于1980年，最大工作水深76.2m。多年海上作業導致該平臺腐蝕、裂紋問題嚴重，本項目主要是根據平臺的檢測結果和平臺的實際使用要求和狀況，對平臺的總體結構進行強度分析，對無損探傷發現的裂紋進行工程臨界評估，以確定平臺現在的實際狀況是否滿足安全作業的要求。采用Abaqus軟件對平臺在預壓、自存、作業下的24種工況進行了極限強度分析、對疲勞壽命進行了預測。

2.柔性復合結構的動力學分析
水下建筑物和結構的動力學響應計算分析，主要集中于柔性，復合體大尺度的流動結構，波能轉換，水產養殖結構，海上油氣田等。

3.海上結構在流冰荷載下的反應分析
在有結冰的海域建造海洋工程結構時，應考慮冰對結構的作用。冰荷載的主要作用形式有：①巨大的冰原包圍結構、整個海面處于冰覆蓋狀態。在潮流和風作用下的大面積冰原呈整體移動擠壓結構。若結構強度足夠,則冰原將被切入或破斷而移動,荷載呈周期性變化，結構發生振動。②自由漂流的冰對結構的沖擊力。③由于氣溫驟變引起整體冰蓋層對結構的擠壓力。④凍結的冰蓋層因水位變化而產生對結構的上拔力或下曳力以及冰塊對結構的摩擦力等。上述第一種作用對結構具有更大的危險性。

4.港口碼頭分析
港口碼頭由于地理條件復雜，且可能需要承受水平沖擊力，通常結構采用樁筏基礎且有部分水平受荷樁，樁土共同作用分析顯得尤為重要。

八、特種結構工程
1.內部高溫下的容器變形模擬
類似油罐等結構在實際應用中常常需要考慮極限載荷或災難性載荷作用下的變形。Abaqus可以保證結構失穩時很好的收斂性。

2.預應力混凝土安全殼分析
該項目由美國核管理委員會 (NRC)和核動力工程公司(NUPEC)組織并資助，用于研究核容器在超過設計壓力時的性能。該項目包括幾個階段，其中一個階段是將預應力混凝土壓力容器(PCCV)結構內壓加到失效狀態，在55個標準的輸出位置預計變量的演化過程。核容器設計壓力：0.39MPa，線性增加到0.78MPa，高度非線性(開裂)：0.78MPa到 1.4MPa。Abaqus擁有復雜的混凝土損傷模型，靈活的Rebar單元模擬鋼筋，高精度非線性求解，對大規模三維模型進行并行計算等功能來完成該項目的模擬。

3.核電站地震響應分析
俄羅斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元軟件模擬核電站在地震載荷、空氣爆炸、飛行器碰撞等特殊動力沖擊下的響應譜，確保結構的安全性。由于核電站結構存在復雜的振動模態形式，采用三維有限元的計算結果比原來采用的基于梁理論的分析方法更加貼近實際。

4.壓力容器在高溫下抗火和抗爆
加拿大Queen大學的科研人員利用Abaqus分析不同體積的壓力容器在整體失火和局部失火發生爆炸的反應，分析影響容器失效的各個參量。同時通過實驗和有限元模型的對比來驗證其有效性。為壓力容器在火災爆炸下的防護提供解決方案。

Abaqus軟件詳情：Abaqus有限元分析軟件