有限元软件ABAQUS的子结构拟动力试验技术
基于ABAQUS的子结构拟动力试验方法研究
基于ABAQUS的子结构拟动力试验方法研究
郭玉荣;叶子昂
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)022
【摘要】子结构拟动力试验将整体结构分为数值子结构与试验子结构,数值子结构通常采用研究人员自行编制的程序.研究了以ABAQUS为核心计算软件的子结构动力试验方法,介绍了利用Python语言编制的有限元软件接口,包括利用socket实现数据通讯、ABAQUS数据库的读取与写入以及利用Python在ABAQUS中建立分析步等.利用提出的方法进行了简单的虚拟试验,并与ABAQUS整体分析结果进行比较.比较结果显示了方法的可行性.通过对不同结构的虚拟实验,验证提出的软件通讯接口具有一定的通用性.
【总页数】6页(P225-230)
【作者】郭玉荣;叶子昂
【作者单位】湖南大学土木工程学院,长沙410082;教育部建筑安全与节能重点实验室,长沙410082;湖南大学土木工程学院,长沙410082
【正文语种】中文
【中图分类】TU317.1
【相关文献】
1.基于OpenSees桥梁多点激励子结构拟动力试验方法研究 [J], 卜欧文;郭玉荣
2.基于有限元软件ABAQUS的子结构拟动力试验技术 [J], 冯帆;王强;王占飞
3.基于有限元软件ABAQUS的子结构拟动力试验技术 [J], 冯帆;王强;王占飞
4.基于 OpenSees 的子结构拟动力试验方法研究∗ [J], 郭玉荣;刘钟真
5.基于MTS加载系统及OpenFresco网络平台的远程协同子结构拟动力试验方法研究 [J], 马磊;隋龑;强一;王亚明
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ABAQUS有限元分析方法
一. 有限单元法的基本原理
有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元
二 ABAQUS简介
ABAQUS是建立在有限元方法上的强大的工程计算软件。 能解决从简单的线性问题和困难的非线性问题，可以绘画任何 存在的几何形状，而且能够模拟大多数工程材料的行为，是一 个通用的计算工具。 它不仅能解决结构力学问题，而且能够模拟热传导，辐射 和声音传播。它能解决一大批工程实际中所遇到的结构分析问 题，对固体，结构及结构-流体系统做静、动位移和应力进行 线性和非线性分析。 程序包括的单元类型有：桁元、二维平面应力和平面应变 元、三维平面应力元、等参梁元、板/壳元及二维、三维流体 元等。 交异性线弹性、弹塑性材料（包 括等向强化，随动强化和混合强化）等。 ABAQUS是一个模块存贮计算的解题程序。方程是按块处 理的，输入数据分成许多模块，各种复杂的分析都可以通过不 同的模块的组合来处理，因此，它可以求解很大的有限元系统。
ABAQUS/CAE 模块： 用于分析对象的建模，特性及约束条件
的给定，网格的划分以及数据传输等。
1. ABAQUS/CAE前处理模块：
（1）建立几何力学模型。 （2）给模型赋予材料参数。 （3）建立边界条件。 （4）施加载荷。 （5）划分网格。 （6）定义加载步。 （7）形成Input文件。
非对称四点弯曲试验装置图
能解决从简单的线性问题和困难的非线性问题可以绘画任何存在的几何形状而且能够模拟大多数工程材料的行为是一个通用的计算工具
ABAQUS有限元分析方法简介
有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元 （FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工 程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动 力学问题都可用它求得满意的数值结果。
abaqus动力学分析
目 录第一章ABAQUS动力学问题概述 (1)§1-1 动力学问题 (1)§1-2 结构动力学研究的内容 (3)§1-3 振动的分类 (4)§1-4 结构动力学的研究方法 (5)§1-5 动力学问题的基本方程 (5)小结 (6)§1-6第2章结构特征值的提取 (7)§2-1 问题的产生 (7)§2-2 特征值的求解方法 (7)§2-3 特征值求解器的比较 (8)§2-4 重复的特征频率 (9)§2-5 征值频率的提取 (9)§2-6 频率输出 (12)§2-7 有预载结构的频率 (16)§2-8 复特征频率和刹车的啸声分析 (17)第3章模态叠加法 (22)§3-1 模态叠加法的基本概念 (22)§3-2 模态叠加法的应用 (24)第4章阻尼 (26)§4-1 引言 (26)§4-2 阻尼 (26)§4-3在ABAQUS中定义阻尼 (27)1§4-4 阻尼选择 (31)第5章稳态动力学分析 (33)§5-1 稳态动力学简介 (33)§5-2 分析方法 (35)§5-3 激励和输出 (36)§5-4 算例—轮胎的谐波激励稳态响应 (42)第6章瞬态动力学分析 (49)§6-1 引言 (49)§6-2 模态瞬态动力学简介 (49)§6-3 分析方法 (54)§6-4 载荷和输出 (55)§6-5 算例—货物吊车 (58)第7章基础运动 (64)§7-1 基础运动形式 (64)§7-2 初级基础运动 (65)§7-3 次级基础运动 (66)§7-4 在ABAQUS中定义基础运动 (66)§7-5 算例 (70)第8章加速度运动的基线校准 (73)§8-1 加速度基线调整和校准简介 (73)§8-2 基线校准方法 (74)§8-3 加速度基线校准步骤 (76)§8-4 考虑基线校准的悬臂梁算例分析 (77)234第1章ABAQUS 动力学问题概述§1-1 动力学问题的产生在现代结构和机械设计中，通常需要考虑两类荷载的作用——静力荷载(static loading)和动力荷载(dynamic loading)，因此结构的设计也经常分为静力设计和动力设计两部分。
全面介绍ABAQUS有限元分析
全面介绍ABAQUS有限元分析有限元分析软件ABAQUS介绍（一）数值模拟方法介绍一：数值模拟也叫计算机模拟。
它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的，节约时间、成本。
数值模拟的基本步骤：（1）建立数学模型--基本守恒方程（2）建立物理问题模型--前处理建模（3）离散方程--选择离散方法和格式（4）求解方程--选择求解算法（5）编制、调试程序（6）研究结果--后处理（7）改进模型或提出指导方案使用软件分析的优势二、有限元软件的介绍三种数值分析方法：有限元方法，有限差分，有限体积方法有限元分析是对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。
有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。
有限元软件的对比ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。
ABAQUS专注结构分析，目前没有流体模块。
MSC是比较老（1963）的一款软件目前更新速度比较慢。
ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。
结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS流体分析能力排名：ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：ADINA，ABAQUS、ANSYS、MSCANSYS与ABAQUS的对比应用领域：1. ANSYS软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。
2. ABAQUS则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。
其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可求解器功能（1）对于常规的线性问题，两种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。
Abaqus中显示动力学分析步骤
Abaqus中显示动力学分析步骤准静态分析——ABAQUS/Explicit准静态过程（guasi-static process）在过程进行的每一瞬间，系统都接近于平衡状态，以致在任意选取的短时间dt内，状态参量在整个系统的各部分都有确定的值，整个过程可以看成是由一系列极接近平衡的状态所构成，这种过程称为准静态过程。
无限缓慢地压缩和无限缓慢地膨胀过程可近似看作为准静态过程。
准静态过程是一种理想过程，实际上是办不到的。
准静态原为一个热力学概念，在这里引用主要是指模型在加载的过程中任意时刻所经历的中间状态都可近似地视为静力状态，因此当加载过程进行得无限缓慢时，在各个时刻模型所处的状态就可近似地看作是静态，该过程便是准静态过程。
准静态啮合过程仿真主要考虑的是弧齿锥齿轮副在加载时的接触状态，以及齿面和齿根的应力变化规律，其前提是不考虑齿轮副惯性的影响。
ABAQUS/Explicit准静态分析显式求解方法是一种真正的动态求解过程，它的最初发展是为了模拟高速冲击问题，在这类问题的求解中惯性发挥了主导性作用。
当求解动力平衡的状态时，非平衡力以应力波的形式在相邻的单元之间传播。
由于最小稳定时间增量一般地是非常小的值，所以大多少问题需要大量的时间增量步。
在求解准静态问题上，显式求解方法已经证明是有价值的，另外ABAQUS/Explicit在求解某些类型的静态问题方面比ABAQUS/Standard更容易。
在求解复杂的接触问题时，显式过程相对于隐式过程的一个优势是更加容易。
此外，当模型很大时，显式过程比隐式过程需要较少的系统资源。
将显式动态过程应用于准静态问题需要一些特殊的考虑。
根据定义，由于一个静态求解是一个长时间的求解过程，所以在其固有的时间尺度上分析模拟常常在计算上是不切合实际的，它将需要大量的小的时间增量。
因此，为了获得较经济的解答，必须采取一些方式来加速问题的模拟。
但是带来的问题是随着问题的加速，静态平衡的状态卷入了动态平衡的状态，在这里惯性力成为更加起主导作用的力。
abaqus接触动力学分析
部件模态综合法随着科学和生产的发展，特别是航空、航天事业的发展，越来越多的大型复杂结构被采用，这使得建模和求解都比较困难。
一方面，一个复杂结构势必引入较多的自由度，形成高维的动力学方程，使一般的计算机在内存和求解速度方面都难以胜任，更何况一般的工程问题主要关心的是较低阶的模态。
仅为了获取少数的几个模态，必须为求解高维方程付出巨大的代价也是不合适的。
另一方面，正是由于结构的庞大和复杂，一个完整的结构往往不是在同一地区生产完成的，可能一个结构的各个主要零部件不得不由不同的地区、不同的厂家生产。
而且由于试验条件的限制只能进行部件的模态实验，而无法对整体结构进行模态实验。
针对这些主要的问题，为了获得大型、复杂结构的整体模态参数，于是发展了部件模态综合法。
部件模态综合法又叫子结构耦合法。
它的基本思想是按工程观点或结构的几何轮廓，并遵循某些原则要求，把完整的结构进行人为抽象肢解成若干个子结构（或部件）；首先对子结构（或部件）进行模态分析，然后经由各种方案，把它们的主要模态信息（常为低阶主模态信息）予以保留，并借以综合完整结构的主要模态特征。
它的主要有点是，可以通过求解若干小尺寸结构的特征问题来代替直接求解大型特征值问题。
同时对各个子结构可分别使用各种适宜的数学模型和计算程序，也可以借助试验的方法来获得他们的主要模态信息。
对于自由振动方程在数学上讲就是固有（特征）值方程。
特征值方程的解不仅给出了特征值，即结构的自振频率和特征矢量——振兴或模态，而且还能使结构在动力载荷作用下的运动方程解耦，即所谓的振型分解法或叫振型叠加法。
因此，特征值问题的求解技术，对于解决结构振动问题来说吧，是非常重要的。
考虑阻尼的振型叠加法振型叠加法的定义：将结构各阶振型作为广义坐标系，求出对应于各阶振动的结构内力和位移，经叠加后确定结构总响应的方法。
振型叠加法的使用条件：∙（1）系统应该是线性的：线性材料特性，无接触条件，无非线性几何效应。
子结构试验的多自由度力-位移混合控制方法研究
子结构试验的多自由度力-位移混合控制方法研究作者：周惠蒙李梦宁王涛来源：《振动工程学报》2020年第01期摘要：现代结构试验通常抽取结构的一部分进行子结构拟静力或拟动力试验，同时对子结构边界进行近似处理，简化加载方案，以期在现有试验条件下满足大比例尺试验的需求。
然而，这种方法应用于复杂构件时会带来较大的误差，特别是各向刚度差异很大的构件，由于各自由度之间的耦合效应，以及传统试验装置控制模式和精度的限制，难以实现轴向、剪切、弯曲以及扭转自由度之间的同步协调加载，加载误差严重影响了结构抗震性能评估试验的准确性。
针对子结构试验中耦合多自由度同步协调加载问题，利用力一位移混合双闭环控制策略实现多自由度之间的解耦，采用鲁棒性PID控制方法，以减少多自由度同步协调加载过程中试件的材料非线性和加载装置的几何非线性带来的误差，提高子结构试验的精度。
通过以某构件的子结构拟动力试验为例验证了所提出的力一位移混合控制方法的可行性和正确性。
关键词：多自由度力-位移混合控制;PID鲁棒控制器;子结构拟动力试验;抗震性能;力-位移转换系数中图分类号：TU352.1+1;TB535 文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）01-0168-11DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2020.OL 019引言由于实验室空问和加载能力的限制，通常采用子结构试验方法研究工程结构的抗震性能，即只对行为复杂、难以把握的部分进行试验。
这时能否实现子结构真实的边界条件是准确把握其抗震性能的前提，特别是当前流行的子结构混合试验技术，子结构之问的边界协调更是其中的核心科学问题。
然而，子结构边界往往具有多个自由度，比如线性位移、弯曲和扭转等，这些自由度通过受力界面耦合在一起，而各个自由度的力学性能通常相差很大，给物理加载带来困难。
其原因一方面在于现有加载装置传感器精度有限，在对大刚度自由度进行位移控制加载时往往造成较大的力误差;另一方面，直线型加载装置需要通过组合才能实现诸如弯曲和扭转的加载，这种几何变换随着结构的变形而变化，即几何非线性问题，这进一步加大了多自由度解耦控制的难度。
abaqus有限元动力学标准算例
《从简到繁，深入理解Abaqus有限元动力学标准算例》1. 引言Abaqus有限元分析软件是一款广泛应用于工程领域的计算机辅助工程（CAE）软件，其中动力学分析是其重要功能之一。
Abaqus有限元动力学标准算例作为该软件的核心模块之一，在工程实践中具有重要意义。
本文将以Abaqus有限元动力学标准算例为主题，逐步深入探讨其原理、应用及工程实践中的价值。
2. Abaqus有限元动力学标准算例的基本概念Abaqus有限元动力学标准算例是Abaqus分析软件中用于动力学分析的一种标准模型。
其基本原理是基于有限元分析理论，通过离散化求解结构动力学问题，包括振动、冲击、动态加载等。
Abaqus有限元动力学标准算例通过精确求解结构在动态加载下的响应，为工程实践中的结构动力学性能评估提供了重要支持。
3. Abaqus有限元动力学标准算例的应用领域Abaqus有限元动力学标准算例广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程、机械制造等领域。
在航空航天领域，Abaqus有限元动力学标准算例可用于模拟飞机在飞行过程中的结构响应，评估飞机的结构性能。
在汽车制造领域，Abaqus有限元动力学标准算例可用于评估汽车在碰撞事故中的结构强度和安全性能。
在建筑工程领域，Abaqus 有限元动力学标准算例可用于分析建筑结构在地震或风载作用下的响应，指导结构设计和改进。
4. Abaqus有限元动力学标准算例的工程价值Abaqus有限元动力学标准算例在工程实践中具有重要价值。
通过模拟结构在动态加载下的响应，可以评估结构的动力学性能，为工程设计和优化提供依据。
Abaqus有限元动力学标准算例可以预测结构在特定工况下的振动响应和疲劳损伤，指导结构材料的选择和使用。
Abaqus有限元动力学标准算例还可以用于事故分析和安全性评估，保障工程结构在各种特殊工况下的可靠性和安全性。
5. 个人观点和理解在我看来，Abaqus有限元动力学标准算例作为Abaqus分析软件的重要功能模块，对工程实践中的结构动力学分析起着至关重要的作用。
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万方数据
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·结构试验新技术··８５·结构工程师第２７卷增刊
子结构拟动力试验选择框架中左柱为试验子结构。
试验子结构安装在５０００ｋＮ自反力架上，作动器在试验子结构顶部进行水平加载。
为防止构件的平面外失稳，在柱平面外设置侧向支撑。
试验装置如图３所示。
框架的其余部分作为计算子结构，在有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ中分析，选取Ｂ２１梁柱单元进行分析，将每个杆件划分为五个单元，其本构采用二折线模型模拟。
图３试验子结构
Ｆｉｇ．３Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｅｓｔ
ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
由于其轴压比较小，故在分析中忽略轴压力的影响。
为了分别分析框架在小震以及大震情况下的反应情况，按照模型以及加载的加速度时程曲线将试验分为２个工况。
该模型选择Ｔａｂａｓ（ＮＳ，１９７８）的地震加速度记录激励（截取前８ｓ），加速度时程曲线如图４所示。
试验工况表见表２。
图４工况１加速度时程曲线
Ｆｉｇ．４
Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｌｏａｄ１表２子结构拟动力试验工况表
Ｔａｂｌｅ２Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｌｏａｄｃａｓｅ
试验工况试件峰值加速度备注１ＢＣｌ８ｍ／ｓ２弹性
２ＢＣ６４８ｍ／ｓ２塑性４．１基于通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ的子结构拟动力试验
由于ＡＢＡＱＵＳ显式动态分析对于求解广泛的，各种各样的力学问题是一种非常有效的工具，故采用显式动力方法。
取瑞利阻尼仅＝７．２７，Ｂ＝０。
试验子结构位移由作动器施加。
全结构拟动力试验的结构响应确定作动器对子结构的加载位移时程。
４．２试验结果分析
将试验过程中作动器控制位移与反馈位移进行对比，结果如图５以及图６所示。
作动器的目标位移与反馈位移基本一致，作动器可以很好地实现位移命令，基本没有误差和延迟，并且能够很好实现与有限元软件的通信，该试验设备能满足进行子结构拟动力试验的要求。
图５工况１作动器位移比较
Ｆｉｇ．５Ｃｏｍｐａｒｅｏｆａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｌｏａｄ
图６工况２作动器位移比较
Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｅ
ｏｆａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｌｏａｄｃａ肫２为了验证试验结果的正确性，采用通用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对该钢结构框架模型进行两种工况的数值模拟。
通过图７可以看出，在工况１条件下，试验记录的位移与模拟计算的位移走势一致。
这是由于在试验过程中，作动器与试件的连接结构之间存在缝隙，在作动器伸缩的同时，试件与连接结构之
间存在滑移，导致试验记录的位移偏小，造成与模万方数据
万方数据
万方数据
基于有限元软件ABAQUS的子结构拟动力试验技术
作者：冯帆， 王强， 王占飞， FENG Fan， WANG Qiang， WANG Zhanfei
作者单位：沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168
刊名：
结构工程师
英文刊名：STRUCTURAL ENGINEERS
年，卷(期)：2011,27(z1)
1.汪大绥;李志山复杂结构弹塑性时程分析在ABAQUS软件中的实现[期刊论文]-建筑结构 2007(05)
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3.Shoraka Majid Baradaran;Charlet Amaud Y Hybrid Simulation of the Gravity Load Collapse of Reinforced Concrete Frames 2008
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6.邱法维结构抗震实验方法进展 2004(10)
7.Schelleuberg Andreas Application of an experimental software framework to hybrid simulation of structures through collapse 2006
8.王向英.田石柱.张洪涛.宋坤位移控制的子结构地震模拟振动台混合试验方法 2009(2)
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10.Pinto A V.Pegon P.Magonette G Pseudo-dynamic testing of bridges Using non-linear substructuring 2004
11.Pen Peng;Nakashima Masayoshi;Tomofuji Hiroshi Online hybrid test using displacement-force mixed control 2005
12.Pen Peng.Nakashima Masayoshi.Tomofuji Hiroshi Online hybrid test using displacement-force mixed control 2005
13.Pinto A V;Pegon P;Magonette G Pseudo-dynamic testing of bridges Using non-linear substructuring [外文期刊] 2004(11)
14.Schneider S P.Roeder C W An inelastic substructure technique for the pseudodynamic test method 1994
15.王向英;田石柱位移控制的子结构地震模拟振动台混合试验方法[期刊论文]-世界地震工程 2009(02)
16.Shoraka Majid Baradaran.Charlet Amaud Y Hybrid Simulation of the Gravity Load Collapse of Reinforced Concrete Frames 2008
17.邱法维结构抗震实验方法进展[期刊论文]-土木工程学报 2004(10)
18.汪大绥.李志山.李承铭.姜文伟.王国俭.廖云复杂结构弹塑性时程分析在ABAQUS软件中的实现 2007(5)
19.Williams M S;Blake Borough A Laboratory Testing of Structures Under Dynamic Load:An Introductory Review 2001
20.Ni Y Q Modal Flexibility Analysis of Cable-Stayed Ting Kau Bridse for Damage Identification 2008
21.吕西林;蒋欢军建筑结构抗震研究的若干进展[期刊论文]-同济大学学报（自然科学版） 2004(10)
22.Schelleuberg Andreas Application of an experimental software framework to hybrid simulation of structures through collapse 2006
本文链接：/Periodical_jggcs2011z1015.aspx。