ABAQUS及Ansys概述

1、ABAQUS軟件公司和產(chǎn)品應(yīng)用介紹一、ABAQUS軟件公司的發(fā)展歷程1972年,ABAQUS的首要創(chuàng)始人DavidHibbitt在布朗大學(xué)完成了Ph.D.論文，論文的一部分為基于有限元方法的計算力學(xué)內(nèi)容。這期間，他和他的導(dǎo)師創(chuàng)建了一個公司，產(chǎn)品為他們開發(fā)的有限元軟件MARC。此后，ABAQUS的另外一個創(chuàng)始人PaulSorensen也加入了MARC，但之后回到布朗大學(xué)繼續(xù)攻讀Ph.D學(xué)位。ABAQUS的另外一個創(chuàng)始人Dr.BengtKarlsson曾經(jīng)是ControlData公司的分析工程師，由于工作的關(guān)系，他逐步對當(dāng)時各種有限元程序加以熟悉并產(chǎn)生濃厚興趣。1976年，他從歐洲來到美國和Hib

2、bitt同在MARC工作。作為MARC的總工程師，Hibbitt越發(fā)意識到工業(yè)界對有限元軟件有一種強烈的需求，將會成為工程師的日常工具，逐步取代傳統(tǒng)的實驗做法，但這要求對現(xiàn)有的程序進行大幅度修改，使之能夠處理更大規(guī)模的模型，計算的可靠性和精度更高。他建議導(dǎo)師重寫MARC的內(nèi)核來適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域的要求，但是他的導(dǎo)師當(dāng)時不愿意進行這樣的一筆投資。1977年，Hibbitt離開MARC開始從頭編寫ABAQUS。Karlsson很快加入了他。之后，已經(jīng)從布朗大學(xué)博士畢業(yè)正在通用汽車公司工作的Sorensen也加入了他們的行列。Hibbitt,Karlsson&Sorensen,Inc.,(HKS)公司于1

3、978年2月1日正式成立。三個力學(xué)專家開始了一個強大工程分析工具的發(fā)展歷程。HKS的第一個客戶是WestinghouseHanford公司，它在華盛頓州從事核反應(yīng)堆方面的開發(fā)工作。WestinghouseHanford需要進行復(fù)雜的分析，包括核燃料棒的接觸、蠕變和松弛等問題。ABAQUS可以進行溫度相關(guān)的蠕變、塑性以及接觸建模體現(xiàn)了其優(yōu)勢，很快ABAQUS在核工業(yè)領(lǐng)域小有名氣。ABAQUS早期的應(yīng)用還包括石油、軍工等其它領(lǐng)域。隨著軟件功能的不斷強大，汽車公司在80年代中期開始采用ABAQUS作為復(fù)雜工程模擬的工具。此后ABAQUS的研發(fā)一直是和重要工業(yè)客戶一起合作進行的，這些客戶碰到的力學(xué)難題

4、，雙方會一起參與來設(shè)法解決，同時不斷豐富ABAQUS本身的功能。今天，ABAQUS已經(jīng)被應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域作為核心產(chǎn)品的研發(fā)工具，對它求解能力的強大性和靈活性的贊譽不絕于耳。2002年底HKS公司改名為ABAQUS公司，全部業(yè)務(wù)都是進行ABAQUS軟件的開發(fā)與維護。近年來公司始終保持兩位數(shù)增長，2007年增長17%，2008年增長18%。目前ABAQUS全球有800名雇員，在北美、歐洲、亞太地區(qū)有40個分公司或代表處。在總部的400多名雇員中有200多人具有工程或計算機的博士學(xué)位，70多人具有碩士學(xué)位。被公認(rèn)為世界上最大且最優(yōu)秀的非線性固體力學(xué)研究團體。二、ABAQUS軟件的發(fā)展歷程ABAQU

5、S最早的產(chǎn)品為ABAQUS/Standard。ABAQUS/Standard是一個通用分析模塊，它能夠求解廣泛的線性和非線性問題，包括結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動態(tài)、熱和電響應(yīng)等。對于同時發(fā)生作用的幾何、材料和接觸非線性采用自動增量控制技術(shù)處理。ABAQUS擁有CAE工業(yè)領(lǐng)域最為廣泛的材料模型，它可以模擬絕大部分工程材料的線性和非線性行為。ABAQUS在1991年推出了ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Explicit是利用對時間變化的顯式積分求解動力學(xué)方程。該模塊適合于分析如沖擊和爆炸這樣短暫、瞬時的動態(tài)事件，對高度非線性問題也非常有效，包括模擬加工成形過程中接觸條件改變的問題。ABAQUS/

6、Explicit和ABAQUS/Standard無縫集成，輸入文件的格式相同，并可以互相傳遞結(jié)果數(shù)據(jù)。ABAQUS在1999年推出了ABAQUS/CAE。ABAQUS/CAE是ABAQUS有限元分析的前后處理模塊，也是建模、分析和仿真的人機交互平臺。該模塊可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)的幾何模型、分配材料和截面的特性、施加載荷和邊界條件、并劃分網(wǎng)格。該模塊可以進一步將生成的模型投入到后臺的分析模塊運行，對運行情況進行監(jiān)測，并對計算結(jié)果進行后處理。ABAQUS/CAE的后處理可以對計算結(jié)果的描述和解釋提供范圍廣泛的選擇，除了通常的云圖，等值線和動畫顯示之外，還可以用列表，曲線等其它工具來完成后處理工作。該模塊的許

7、多獨特功能與特點，例如CAD建模方式、參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等極大的方便了ABAQUS用戶。ABAQUS軟件已被全球工業(yè)界廣泛接受，并擁有世界最大的非線性力學(xué)用戶群。ABAQUS軟件以其強大的非線性分析功能以及解決復(fù)雜和深入的科學(xué)問題的能力，除了在廣大工業(yè)用戶中得到認(rèn)可外，也在以高等院校、科研院所等為代表的高端用戶中得到廣泛贊譽。提供優(yōu)質(zhì)可靠的分析軟件是ABAQUS公司的一貫宗旨，為此公司做了大量的人力和物力的投資。公司專門開發(fā)了優(yōu)秀的產(chǎn)品管理軟件便于產(chǎn)品質(zhì)量及可靠幸得測試，負(fù)責(zé)質(zhì)量檢驗的部門針對每一種新產(chǎn)品在不同的硬件平臺上均要通過17000多道考題的測試，并且還經(jīng)過某些重點用戶的獨立測試

8、，公司對產(chǎn)品的檢驗過程直接受到用戶的監(jiān)督。1996年4月，全部ABAQUS的產(chǎn)品通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證。ABAQUS產(chǎn)品一直是美國核安全局(NQA)認(rèn)證(NQA-1標(biāo)準(zhǔn))的可用于核工業(yè)首選的分析軟件。美國食品和藥品管理局(FDA)推薦ABAQUS作為用于植入人體的醫(yī)療器械的有限元分析軟件。2003年ABAQUS軟件獲得由中國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會頒發(fā)的壓力容器用計算機應(yīng)用軟件技術(shù)評審證書。ABAQUS軟件的用戶絕大部分是租賃用戶，這些用戶通常對產(chǎn)品和服務(wù)要求都是很苛刻的。ABAQUS是一個推崇技術(shù)的公司，它始終走在結(jié)構(gòu)力學(xué)研究和軟件化領(lǐng)域的前沿，它良好的品質(zhì)和服務(wù)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，

9、這也是占其用戶很大比重的租賃用戶一年又一年往復(fù)租用它的原因。三、ABAQUS軟件的主要功能特點人機交互界面ABAQUS/CAE是ABAQUS公司新近開發(fā)的軟件運行平臺，他汲取了同類軟件和CAD軟件的優(yōu)點，同時與ABAQUS求解器軟件緊密結(jié)合。與其他有限元軟件的界面程序比，ABAQUS/CAE具有以下的特點：米用CAD方式建模和可視化視窗系統(tǒng)，具有良好的人機交互特性。采用了參數(shù)化建模方法，為實際工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化，結(jié)構(gòu)修改提供了有力工具。強大的模型管理和載荷管理手段，為多任務(wù)、多工況實際工程問題的建模和仿真提供了方便。鑒于接觸問題在實際工程中的普遍性，單獨設(shè)置了Interaction模塊，

10、可以精確地模擬實際工程中存在的多種接觸和連接問題，并可以進行從零件級到系統(tǒng)級的分析。求解器性能比其他通用有限元軟件更多的單元種類，單元種類達562種，提供了更多的選擇余地，并更能深入反映細微的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和現(xiàn)象間的差別。除常規(guī)結(jié)構(gòu)外，可以方便地模擬管道、接頭以及纖維加強結(jié)構(gòu)等實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為隱式和顯式求解器無縫集成，同為ABAQUS公司的產(chǎn)品，單元類型和命名一致，用戶可以很方面的進行兩種求解方法的轉(zhuǎn)化和聯(lián)合運算。更多的接觸和連接類型,可以是硬接觸或軟接觸，也可以是Hertz接觸（小滑動接觸）或有限滑動接觸，還可以雙面接觸或自接觸。接觸面還可以考慮摩擦和阻尼的情況。上述選擇提供了方便地模擬密封，擠

11、壓，鉸連接等工程實際結(jié)構(gòu)的手段。材料非線性是ABAQUS非線性分析的一種重要類型。它具有豐富的材料模型庫，涵蓋了彈性（包括超彈性和亞彈性）、金屬塑性、粘塑性、蠕變各向異性等各種材料特性。在復(fù)合材料方面：ABAQUS允許多種方法定義復(fù)合材料單元，包括復(fù)合材料殼單元、復(fù)合材料實體單元以及疊層實體殼單元；提供基于平面應(yīng)力的失效準(zhǔn)則和基于斷裂力學(xué)的開裂功能，包括最大應(yīng)力、Tsai-Hill、Tsai-WuAzzi-Tsai-Hi11和最大應(yīng)變等理論研究纖維、基體和界面失效以及纖維屈曲失效等失效模式；采用Rebar單元模擬纖維增強復(fù)合材料中的纖維，并可以把它們定義在獨立的殼單元、薄膜單元和表面單元內(nèi)部再

12、嵌入到模擬基體的實體單元中，方便用戶進行靈活的建模和后處理；ABAQUS提供了殼單元到實體單元的子模型功能和殼單元到實體單元的tie約束功能，可以對復(fù)合材料局部重要區(qū)域方便地進行細節(jié)建模；用戶自定義材料機械性能（UMAT）子程序可以由用戶定義各種復(fù)雜的機械本構(gòu)模型并使用在ABAQUS分析中，UMATs已經(jīng)被廣泛用于研究金屬基體復(fù)合材料,固化,纖維抽拔,和其他對復(fù)合材料很重要的局部效應(yīng)。在橡膠材料方面：橡膠本構(gòu)模型種類齊全，達16種之多，可以模擬各種橡膠材料的特性；可以直接輸入橡膠材料的實驗參數(shù)，生成對應(yīng)的橡膠模型，并對模型的穩(wěn)定性進行檢驗，確定穩(wěn)定收斂區(qū)間；ABAQUS目前獨有的Mullin效

13、應(yīng)模擬可以在橡膠的超彈性本構(gòu)中考慮加載和卸載中應(yīng)變能的損失，以及轉(zhuǎn)化為熱能的效應(yīng)，為精確模擬橡膠減震性能和工作中生熱情況提供了途徑，資料顯示相比其他通用有限元軟件，考慮Mullin效應(yīng)的模型在處理橡膠大變形問題中與實驗結(jié)果對比更為接近；橡膠模型與接觸/摩擦功能能很好地結(jié)合，能處理橡膠材料的軟化、老化等問題；經(jīng)長期的工程應(yīng)用，ABAQUS的墊片單元(*Gasket)被公認(rèn)可以方便有效地模擬橡膠墊圈密封的機理和現(xiàn)象，廣泛用于汽車發(fā)動機等復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的密封分析中。接頭密封問題中，應(yīng)力集中現(xiàn)象和接觸效應(yīng)同時存在。二階單元模擬應(yīng)力集中較精確，但不適用于模擬接觸問題；一階單元適合模擬接觸問題，但模擬應(yīng)力集

14、中效應(yīng)不精確。ABAQUS獨有的改進的(Modified)連續(xù)體單元，是二階單元，但可以很好的處理接觸問題。因此，ABAQUS可以最有效地分析解出密封問題。ABAQUS具有強大的熱固耦合分析功能，包括：穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析，強制對流和輻射分析熱界面接觸，熱電耦合，摩擦生熱等等?？梢远x從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型，來模擬金屬、聚合物、復(fù)合材料等電子材料的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。ABAQUS包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元，83種隱式和顯式完全熱固耦合單元，覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實體各種單元類型

15、，包括一階和二階單元，為用戶建模提供極大的方便。ABAQUS還是世界上各大汽車廠商分析發(fā)動機中熱固耦合和接觸問題的標(biāo)準(zhǔn)軟件，如奧地利著名發(fā)動機生產(chǎn)商AVL在自己的發(fā)動機分析軟件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作為求解器。TEMP(Ave.Crit.:75S)+9.H01e+lJZ+9.596e+02-+9.391e+02+9.185e+02+8.9tlIJe+lJZ+8.775e+02+8.570e+02+8.365e+0Z+8.160e+OZ+7.955e+02+7.749e+02+7.544e+02+7.339e+02+7.134e+02+6.929e+02+6.724e+02+6.

16、519e+02+6.313e+02+6.1Otie+0Z+5.903e+OZ-+5.69tie+OZ+5.493e+02+5.288e+02+5.083e+02+4.877e+02Step:Step-3fSTEF3.)RETURNTOAMBIENTIncrement0:StepTime=.0000E+00PrimaryVar:TEMP_DeformedVar:UDeformationScaleFactor:+1.994e+01更方便和靈活的二次開發(fā)工具。ABAQUS基于高級語言的用戶子程序為用戶開發(fā)自己的單元、材料和分析流程提供了強大的工具，這也是廣大非線性高端用戶選擇ABAQUS并應(yīng)用它進行

17、了大量深入的研究工作的原因。材料的剝離與失效可以在ABAQUS中得到很好的模擬，包括模擬沖擊材料的雙面磨損功能。另外ABAQUS的自適應(yīng)網(wǎng)格功能為克服和補償切割過程的大變形帶來的網(wǎng)格奇異造成的計算誤差，提供了有力的手段Fe-Safe提供了金屬和非金屬材料疲勞壽命預(yù)估功能。它依托于ABAQUS的求解器模塊，將ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的應(yīng)力分析結(jié)果根據(jù)載荷出現(xiàn)的幾率進行數(shù)理統(tǒng)計和分析，得到疲勞壽命的預(yù)估值，并可以用ABAQUS/CAE的圖形界面進行處理，得到用戶關(guān)心的參數(shù)，有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計。Fe-Safe和ABAQUS的分別是疲勞壽命計算及結(jié)構(gòu)位移位移

18、分析方面的最優(yōu)秀分析軟件，兩者的有機結(jié)合可以對機械結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計和分析提供最佳的解決方案。Vtewport：!Model：NorwmeModule，VisualisationThermalstressesABAQUS提供的多體動力學(xué)分析功能為機械設(shè)備的操縱和傳動系統(tǒng)等機構(gòu)分析和運動過程模擬等提供了強有力的工具。在此基礎(chǔ)上，作為功能強大的有限元分析軟件，ABAQUS還可以利用子結(jié)構(gòu)方法對結(jié)構(gòu)運動過程中的變形和應(yīng)力分布情況進行實時的模擬和分析。截止到目前，考慮非線性的機構(gòu)和結(jié)構(gòu)聯(lián)合分析功能仍然是ABAQUS所獨有的。四、主要客戶及其應(yīng)用情況隨著研究水平提高所引發(fā)的對高水平分析工具需求的加強，ABAQ

19、US軟件在各行業(yè)用戶群中所占據(jù)的地位也越來越突出。電子領(lǐng)域是ABAQUS軟件的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前Intel、Motorola、Nokia、Toshiba、Philips等世界知名的電子企業(yè)都是ABAQUS軟件的重要用戶。在國內(nèi)，Intel上海封裝中心、Motorola北亞研究中心、Nokia投資公司、三星電子、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位均采用ABAQUS軟件作為電子封裝和電子器件跌落模擬的分析軟件。全球大客戶列表：AlcanIntelLosAlamosMTUAlstomNissanAlcoaMotorolaArcelorNokiaAutolivSiemensAlliantTechNort

20、hropGrummanAVLSnecmaBentelerTennecoBoeingNewportNewsBMWWartsilaBoschFujitsuCaterpillarPaccarEDAGHondaFaureciaKobeSteelCWESProcter&GambleGEPlasticsSumitomoMetalINAToshibaToyotaYokohomaRubber重要客戶應(yīng)用情況舉例：英特爾Intel-CPU、內(nèi)存和電路板等封裝組件的設(shè)計-電子封裝中的靜力、熱和沖擊響應(yīng)模擬-研發(fā)地點：美國，新加坡，馬來西亞，中國諾斯羅普格魯曼一新港NorthropGrummanNewportNew

21、s-美國海軍航空母艦和核動力潛艇設(shè)計-采用ABAQUS作為非線性和線性分析的標(biāo)準(zhǔn)-研發(fā)地點：美國卡特彼勒Caterpillar-重型機械設(shè)備和動力傳動系統(tǒng)-ABAQUS是標(biāo)準(zhǔn)的非線性分析工具-研發(fā)地點：美國，英國和澳大利亞寶潔Procter&Gamble-消費產(chǎn)品和包裝-多種模擬-研發(fā)地點：美國，歐洲和日本通用汽車GeneralMotors-動力系統(tǒng)密封性，耐久性和振動噪音分析-底盤耐久性和車身工程-研發(fā)地點：美國，德國，瑞典，澳大利亞諾基亞Noka-消費電子產(chǎn)品跌落分析-手機，步話機和其它手持設(shè)備-研發(fā)地點：歐洲，美國，中國洛克希德馬丁LockheedMartin-非線性和線性動力學(xué)-飛機機

22、身和空間系統(tǒng)-研發(fā)地點：美國當(dāng)前的研發(fā)合作伙伴：斷裂和失效(FractureandFailure)-Boeing,CooperTire,Exxon-Mobil,Intel,Lockheed-Martin,MIT,NASA,Purdue,UnitedDefense汽車碰撞(Crashworthiness)BMWABAQUSforCatia-BMW,Boeing,Honda,PSA,Snecma汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AutomotiveSteeringGroup)-BMW,GM,Ford,Honda,Hyundai,Nissan流固耦合(CoupledFluid-StructureInteraction)

23、-Proctor&Gamble,Cooper,3M,Dupont,ABB,SNECMA,BAESystems,Coventor五、在華為公司的應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)成功經(jīng)驗機柜抗震分析：ABAQUS軟件被廣泛用于機械，電子，土建等領(lǐng)域的抗震和沖擊方面的分析。在進行震動和沖擊方面的應(yīng)用中，ABAQUS的優(yōu)勢最大體現(xiàn)在結(jié)合了隱式求解器和顯式求解器的優(yōu)點：隱式求解器ABAQUS/Standard適于進行基于頻域的動力學(xué)分析：自振頻率提?。▽Υ笠?guī)模模型可以采用并行的Lanczos特征值提取器），模態(tài)動力學(xué)，基于模態(tài)和直接積分的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析，隨機響應(yīng)分析，響應(yīng)譜分析等等。以狀態(tài)進行（如考慮結(jié)構(gòu)預(yù)載荷的頻率提取

24、分析），通過stepbystep的分析方法來實現(xiàn)多步驟的分析，其中模態(tài)動力學(xué)可以考慮較弱的非線性效應(yīng)。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的位移，速度或加速度可以設(shè)置成隨時間變化（模態(tài)動力學(xué)）或隨頻率變化（穩(wěn)態(tài)動力學(xué)）。除此之外，Standard還提供了在時域上積分的隱式動力學(xué)分析和復(fù)頻率提取分析。顯式求解器ABAQUS/Explicit適于進行基于時域的動力學(xué)分析：該方法尤其適于高度非線性的震動和沖擊問題的分析，如考慮塑性，接觸，材料失效等效應(yīng)的問題。該方法可以在時域上精確地捕捉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)歷程，但所消耗的計算機資源比基于模態(tài)的動力學(xué)要大許多。對于大規(guī)模模型，可以采用基于域分解的單機多CPU和多機并行（MPI）功能來加速

25、的顯式積分的求解速度。由于以上兩個求解器均為ABAQUS自己開發(fā)的產(chǎn)品，二者的結(jié)合非常緊密,其輸入文件的語法格式完全一致。在前后處理模塊ABAQUS/CAE中，還允許用戶對同一有限元模型方便地在這兩種分析方法中切換，并保留以前分析中定義好的載荷，接觸，邊界條件等內(nèi)容，這為用戶對同一個問題采用不同算法進行分析提供了方便的途徑。ABAQUS還可以方便的進行子模型的分析，并且隱式和顯式求解器均支持該功能。這對大規(guī)模模型的震動分析很有幫助：整體模型的網(wǎng)格可以比較粗進行結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的分析，而最可能發(fā)生破壞的地方局部需要進行網(wǎng)格加密，可以作為一個子模型單獨進行分析而把整體計算的結(jié)果作為邊界條件施加到子模型

26、上。ABAQUS提供了豐富的材料模型庫，用戶可以方便的選擇包括金屬，工程塑料，泡沫材料等多種材料本構(gòu)模型，可以考慮材料的塑性，損傷，失效，溫度相關(guān)等非線性效應(yīng)，用戶還可以利用ABAQUS的用戶子程序的功能進一步添加自己所需要的材料模型。ABAQUS提供了豐富的單元庫，其中的實體殼單元(SC8R,SC6R)可以讓用戶不必抽取中面就能夠模擬薄壁結(jié)構(gòu)的相互接觸作用，并允許單元的邊長比很大；修正的二階十節(jié)點四面體單元(C3D10M)允許用戶快速的劃分網(wǎng)格并確保單元的計算精度很高；連接單元庫(connectorelements)提供了廣泛的機構(gòu)連接方式來模擬各種機構(gòu)部件之間的連接關(guān)系，如鉸接，焊點，萬向

27、接頭等，甚至可以考慮連接單元的失效來模擬機構(gòu)部件在震動和沖擊作用下互相之間的脫開。ABAQUS提供了廣義剛體功能，模型中的任何一部分允許是變形體，也允許是剛體，甚至是顯示體(僅顯示出模型的形狀不參與有限元計算)，這就為大規(guī)模模型的動力學(xué)計算提供了方便的途徑，用戶可以僅把最關(guān)心的模型部位作為變形體，而其他部位作為剛體，當(dāng)初步的分析完成后，可以再一步一步把剛體轉(zhuǎn)化成變形體，最終獲得符合實際的結(jié)果，該功能使得用戶對分析過程的控制非常方便。熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力問題:由不同材料組成的封裝組件在溫度變化的環(huán)境下會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致封裝失效。ABAQUS具有強大的熱固耦合分析功能,包括:穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)

28、分析，順序耦合熱固分析，完全耦合熱固分析，強制對流和輻射分析，熱界面接觸，熱電耦合等等?？梢远x從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型，來模擬金屬聚合物、復(fù)合材料等電子材料的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。ABAQUS包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元，83種隱式和顯式完全熱固耦合單元，覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實體各種單元類型，包括一階和二階單元，為用戶建模提供極大的方便。而其他通用有限元軟件對應(yīng)的熱分析單元數(shù)量都比ABAQUS少，如ANSYS中純熱傳導(dǎo)和熱耦合單元總計為40種，MARC中純熱傳導(dǎo)單元為40種，無完全熱固耦合單元。右圖是臺灣新竹清華大學(xué)采用

29、ABAQUS分析BGA焊點熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的模型圖。ABAQUS還是世界上各大汽車廠商分析發(fā)動機中熱固耦合和接觸問題的標(biāo)準(zhǔn)軟件，如奧地利著名發(fā)動機生產(chǎn)商AVL在自己的發(fā)動機分析軟件AVL.Excite中嵌入ABAQUS作為求解器。右圖為Ford公司采用ABAQUS分析四缸發(fā)動機蓋的溫度場分布云圖。Fig.15Sheaitstrainmfteir10thermalcycles(withdamageniodeiimplemente-clintoABAQUS)典型應(yīng)用：塑料、陶瓷、金屬封裝等各種封裝組件在溫度載荷下的變形和受力、IC芯片和基板之間的導(dǎo)熱、封裝材料界面間的熱傳導(dǎo)、板上元件的強制對流散熱、

30、散熱片通過空氣的輻射散熱等熱疲勞問題：由于受熱導(dǎo)致的應(yīng)力和應(yīng)變在溫度循環(huán)下會造成封裝材料疲勞失效，如倒裝焊中的焊點和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。ABAQUS/Standard中的直接載荷循環(huán)分析功能提供了預(yù)測承受熱載荷的彈塑性結(jié)構(gòu)的低周熱疲勞壽命。更復(fù)雜的疲勞問題可以通過ABAQUS/Safe模塊來實現(xiàn)。右圖是NEC公司和紐約州立大學(xué)Buffalo分校電子封裝中心合作采用ABAQUS進行表面貼裝中共晶焊點熱疲勞失效分析的結(jié)果。沖擊和跌落問題：深入研究個人手持電子產(chǎn)品的沖擊和跌落問題是具有挑戰(zhàn)的工作。難點來源于：/復(fù)雜的幾何體：典型的組成包括材料為（1mm厚）熱塑塑料的前后薄壁外殼，兩個或更多個

31、印制電路板（PCB）、連接件、鈑金片、橡膠墊、電池、金屬彈簧和一個LCD顯示屏，PCB板是三明治結(jié)構(gòu)，由2到6個螺釘固定。/許多元件間的接觸作用：各個元件置于主PCB板和前后外殼之間，由粘接劑或鉚頭固定，各個元件之間和內(nèi)壁會發(fā)生接觸。以上結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法采用殼單元模擬。但從CAD軟件中導(dǎo)入的模型中往往包括上千個表面，提取中面并劃分殼單元是一個需要高技巧和豐富經(jīng)驗，并且非常耗費時間的工作。然而劃分四面體的實體單元可以在有限元軟件中自動完成，并且只需要幾分鐘。在這樣的情況下需要選擇精度和可靠性都很高的四面體單元。跌落和碰撞問題一般需要采用顯式動力學(xué)方法進行求解，考慮裝配預(yù)應(yīng)力的跌落和碰撞分

32、析需要結(jié)合隱式和顯式的方法進行求解。ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit中均提供10結(jié)點的修正四面體單元，模擬接觸問題精度很高，并且兩個求解器的模型可以無縫轉(zhuǎn)化，這樣為進行沖擊和跌落分析提供了一種快捷、精確的方法。所以世界上重要手機和汽車生產(chǎn)商如摩托羅拉、諾基亞、寶馬等都首選ABAQUS作為跌落和碰撞分析的求解器。右上兩圖為摩托羅拉公司手機跌落分析模型和寶馬公司汽車碰撞分析模型。封裝制造過程模擬：各級封裝組件，如圓片的劃片、切邊，金屬封裝中的釬焊、退火，塑封中焊球的回流、固化，薄膜材料涂層等過程均是復(fù)雜的機械加工過程，研究其中的制造殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)翹曲是很重要的工作。A

33、BAQUS中強大的接觸、單元生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模擬各種制造過程。下圖為新加坡微電子學(xué)研究所采用ABAQUS子模型的功能研究BGA封裝焊點的全局模型和研究局部細節(jié)的子模型網(wǎng)格圖。斷裂和材料失效分析：ABAQUS的斷裂力學(xué)分析功能在商業(yè)求解器中是國際上公認(rèn)的最強的，并且不斷在客戶推動下發(fā)展。此外，ABAQUS可以很方便的進行材料剪切、拉伸、屈曲等工況下失效的模擬。這樣為模擬芯片，模塑料等封裝組件開裂問題提供了有力手段。濕應(yīng)力:模塑料、下填料等高分子材料在潮濕環(huán)境下會吸收水汽并脹大，造成封裝開Fig.9Contourplotofmoistureconcentrati

34、on,predictedbyfiniteelementsimulationPOR-+4.881e+02-1-4.4746+02+4.0686+02+i.66Ide+0Id-+3.255e+02-+2.849e+02-+2.442e+02.036e+0Id-+1.630e+02-+1.223e+02-+8.169e+01-+4.1056+01+4.082e-01裂、漏氣等。ABAQUS中具有很強的質(zhì)量擴散分析和土壤滲流和混凝土固結(jié)分析功能，其力學(xué)本質(zhì)和濕應(yīng)力問題類似，借助這些分析功能可以有效的解決熱濕固三場耦合分析問題。上圖是Nokia公司、馬里蘭大學(xué)CALCE封裝中心和Philips公司合作用

35、2ABAQUS計算下填料(Underfil1)中潮氣擴散導(dǎo)致的濕應(yīng)力問題的結(jié)果。聲場分析：MEMS、麥克風(fēng)和手機等封裝組件中都需要進行聲場和聲固耦合的分析，ABAQUS擁有強大的聲場和聲固耦合分析功能，對結(jié)構(gòu)采用固體單元，對空氣采用聲場單元進行聲固耦合的分析，右圖是手機內(nèi)部空氣的聲壓分布云圖。用戶舒適性：ABAQUS和HP公司一起合作研究過計算機鍵盤按鍵下的橡膠墊片的受力情況，確定用戶鍵入力、橡膠變形和電信號傳輸?shù)年P(guān)系，來提升用戶使用鍵盤的舒適性。該分析中涉及幾何大變形、超彈性材料和接觸非線性等復(fù)雜非線性問題，如右圖所示。右下圖為Motorola公司采用ABAQUS分析翻蓋手機在循環(huán)翻蓋中的絞

36、接處變形和受力情況，為產(chǎn)品的耐用性預(yù)測提供依據(jù)。壓電分析：壓電材料在MEMS中被廣泛使用，ABAQUS提供26種電固耦合單元可以進行這樣的分析，覆蓋桿、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實體各種單元類型，包括一階和二階單元。國際上兩大專用MEMS軟件Coventor和IntelliSense均把ABAQUS作為求解器嵌入其分析模塊中。新的電子材料：隨著電子行業(yè)的發(fā)展和環(huán)保的要求，各種新的電子材料如特殊的半導(dǎo)體材料和無鉛焊料層出不窮。各種新材料的機械性能、熱性能和電性能往往具有其特殊之處，需要采用新的材料模型來描述。ABAQUS除了具有廣泛的材料模型庫外,還提供了很友好的用戶二次開發(fā)功能，用戶可以使用

37、Fortran和C+語言編寫各種新的材料模型，并和ABAQUS求解器關(guān)聯(lián)來深入研究新的電子材料性能。這項功能也是國際上每年數(shù)以千計的學(xué)術(shù)論文是基于ABAQUS發(fā)表的重要原因。ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,IDEAS,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。一、軟件功能簡介軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊前處理模塊提供了一個

38、強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理摸塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。啟動ANSYS，進入畫面以后，程序停留在開始平臺。從開始平臺（主菜單）可以進入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），PO

39、ST1（通用后處理模塊），POST26（時間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶手冊的全部內(nèi)容都可以聯(lián)機査閱。用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點擊菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會在丄0G文件中列出，打開輸出窗口可以看到丄0G文件的內(nèi)容。如果軟件運行過程中出現(xiàn)問題，查看丄0G文件中的命令流及其錯誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由ANSYS自動讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進行某些重復(fù)性較高的工作時，能有效地提高工作速度。二、前處理模塊PREP7雙擊實用菜

40、單中的“Preprocessor”進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。實體建模ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相

41、當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點,然后依次是相關(guān)的線、面、體。網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的

42、單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。三、求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。點擊快捷工具區(qū)的SAVE_DB將前處理模塊生成的模型存盤，退出Preprocessor，點擊實用菜單項中的Solution，

43、進入分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。ANSYS軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)

44、分析。結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當(dāng)運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5.熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦

45、流、電場分布、磁力線分布力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。流體動力學(xué)分析ANSYS流體單元能進行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。聲場分析程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船

46、體的阻尼效應(yīng)。壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析四、后處理模塊POST1和POST26ANSYS軟件的后處理過程包括兩個部分：通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。通用后處理模塊POST1點擊實用菜單

47、項中的“GeneralPostproc”選項即可進入通用后處理模塊。這個模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如應(yīng)力值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍），清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。時間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26點擊實用菜單項中的TimeHistPostpro選項即可進入時間歷程響應(yīng)后處理模塊。這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26還可以進行曲線的代數(shù)運算。ABAQUS軟件介紹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(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地