基于ANSYS的ABAQUS强度折减边坡稳定性分析--《公路工程》2008年02期
基于ANSYS的ABAQUS强度折减边坡稳定性分析
【摘要】：利用ANSYS参数化设计语言(APDL)建立边坡模型,采用Visual Basic语言编写ANSYS-ABAQUS接口程序,实现ABAQUS模型的自动、快速生成。在岩土方面,ABAQUS提供丰富的材料本构模型,利用有限元强度折减法与ABAQUS中的Mohr-Coulomb准则相结合,通过对边坡的稳定性分析,不仅得到了边坡的稳定系数、预测了边坡的潜在滑裂面的位置.同时讨论了Mohr-Coulomb准则参数的影响。为快速有效地分析边坡稳定问题提供了一种思路。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：U416.14【正文快照】：
0引言边坡稳定分析至今已经发展了数十种方法,然而最主要的方法是:极限平衡法、塑性极限分析法和有限元法。传统的极限分析方法,由于不能自动搜索滑动面和相应稳定安全系数,必须事先知道滑动面的位置和形状,且存在不能完整地考虑土体的应力应变关系。而与强度折减法相结合的
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京公网安备75号ansys与abaqus的对比学习95
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ansys与abaqus的对比学习95
前段时间一直采用anasys模型来分析结构，由于；初始接触abaqus有点害怕，有点茫然；(一)总规则；1、关键词必须以*符号开头，且关键词前无空格；；2、**为解释行，它可以出现在文件中的任何地方；；2、当关键词后带有参数时，关键词后必须采用逗号相；3、参数间采逗号相隔；；4、关键词可以采用简写的方式，只要程序能够识别就；5、没有隔行符，如果参数比较多，一
前段时间一直采用anasys模型来分析结构，由于结构所涉及到的非线性较多（预应力、接触、混凝土），结果总是不如人意，查阅网上所有资料均说abaqus非线性性能要比ansys好。老一辈的人总说：“办法总比困难多”，在这句话的激励下，在ansys分析模型到达穷途末路的时候，想到了将ansys中的模型倒入abaqus中进行计算。
初始接触abaqus有点害怕，有点茫然。原因之一为abaqus的学习资料少，会用的人少，精通的人更少，学习起来困难。于是乎，看书，看帮助，打电话求教，磕磕碰碰走到今。为了减少有志学习abaqus后生的学习难度，在此将abaqus初级关键词的用法与格式进行解释，并与ansys进行对照（虽然采用python语言编写的.inp文件更加简洁明朗，但对于初始学者，关键词也是一种快速入门的捷径）。由于学习的时间不长（三天左右吧），难免有不知或不正确的地方，如有意请各看官加以指正与补充，在此先行谢过了。
(一)总规则
1、关键词必须以*符号开头，且关键词前无空格；
2、**为解释行，它可以出现在文件中的任何地方；
2、当关键词后带有参数时，关键词后必须采用逗号相隔；
3、参数间采逗号相隔；
4、关键词可以采用简写的方式，只要程序能够识别就可以了；
5、没有隔行符，如果参数比较多，一行放不下，可以另起一行，只要在上
一行的末尾加逗号便可以；
(二)建模部分关键词
在我的学习过程中，是将ansys的模型倒入abaqus的，最简单的方法就是在ansys中提取单元与节点信息，将提取出来的信息在abaqus中形成有限元模型。因此首先从节点的关键词来开始吧。
1、*heading
这是.inp文件的开头语，相当于你告诉abaqus，我要进行工程建模与分析了。另起一行可以对模型进行描述，这个描述可有可无，只是为了以后阅读的方便。abaqus中对每个模块没有清晰的界定，根据关键词的不同来判别进入哪个模块。而在ansys中对模块要求比较严格，如/prep7为前处理模块，/solu为求解模块,/post26为后处理模块。
2、*node,&input&,&nset=结点集名称&,&system&
(a) 通知软件，我要开始建立结点了。&&的意思是&&中的内容可有可无，这两个也称为node 命令的参数。
(b) &input&: 指出包含结点所在的文件名称，包括文件的扩展名。当这项参数省略时，程序认为*node下的数据为所需要建立的结点。
(c) &nset=结点集名称&: 熟悉ansys的人应该了解，为了选择的方便对某些合适的点可以采用cm命令建立component(cm,结点集名称,node)，在abaqus中&nset=结点集名称&与此相对应。
(d) &system&: 坐标系标识参数，system=r（缺省）定义坐标系为笛卡尔坐标系，system=c定义坐标系为柱面坐标系，system=s定义坐标系为球面坐标系。这个坐标系为局部坐标系.
3、*element,type=单元类型,& elset=&, &input&
(a) 建立单元关键词；这一命令将单元类型，单元特性，单元结点以及单元集这几个过程全部统一起来。
(b) *element与type=单元类型必须同时使用，否则程序不知道你的单元是什么形状，哪种类型。在ansys中对模型划分网格，你需要做两步：指定单元类型（et），确定单元特性（keyopt）,然后建立单元;在abaqus中单元类型与单元特性通过单元的名称可以完全确定下来。
(c) &elset=&这个参数来确定单元集的名称; ansys中需要采用（cm,,elem）来定义。
(d) &input& 指出包含单元信息的文件名称,包括文件的扩展名。
4、*solid section,elset,material
(a) 对实体单元、无限元以及truss单元的特性作出声明；
(b) elset 指出单元集的名称；
(c) material 指定此类单元对应的材料。
(d) 此项命令类似于ansys中给几何体确定相应的属性，如vatt,latt等命令，不同的是ansys中一般对集合体确定单元、材料、实常数，而在abaqus中，材料通过*solid section命令赋予单元。
5、*nset,nset=,&elset&,&instance&,&internal&,&generate&,&unsorted&
(a) 指定结点集以及结点集的名称，相当于ansys中的 cm,name,node。其中*nset于nset=是同时出现的，既然定义了结点集，就一定得给出结点集的名称；
(b) &elset& 将前面定义的单元集中所有结点定义成结点集，注意此项不能与&generate&参数选项同时使用；
(b) &instance&
(c) &internal& 确定结点集中的结点是内部确定的。缺省的设置是省略这项；
(d) &generate& 此参数可以根据用户指定的参数自动确定结点集中的结点.如果使用了这个参数，那么在*nset的命令中需要按照一定的格式来确定并产生结点。如
*nset,nset=long,generate
其中n1是起始结点，n2是终止结点，i是步长。如
*nset,nset=long,generate
那么结点编号为1、3、5、7、9的结点均为结点集long所包含的结点。
(e) 这个命令比较体现了封装的优点，将对单元中结点的选择，结点的自动产生等功能全部封装在一个命令中；ansys中对于这些功能是分开使用的，例如想选择某些单元的结点，则先选择需要的单元(esel,s,,,),然后选中单元下的所有结点(allsel,below,elem),最后定位结点集(cm,,node)。
6、*elset,elset=,&generate&,&instance&,&internal&
(a) 同*nset
7、*assembly
*instance,name,part，&instance&
*end instance
*end assembly
(a) 创建部件的命令，此命令中四个关键词必须同时配套使用。*assembly指出现在进入装配阶段，*instance表明要创建一个部件，*end instance 提示退出部件创建平台，*end instance 提示退出组
(b) 由于建模理念的不同，在ansys中没有相应的命令。在abaqus中，相同的几何实体只创建一次，通过定位组装的方式建立模型；而在ansys中，无论集合实体的尺寸是否相同，都要对其进行模型创建。
(c) name与part是必要参数，name指出部件的名称，part指定已经建立的几何部件（即没有划分网格前的几何实体）。当模型是从ansys中导入的，此时只有结点信息与单元信息，没有形成part，此时可以设置一个为空的part。
(d) &instance& 参数为引入先前定义的部件。
三）材料部分关键词
abaqus材料部分的内容比较丰富，是分析中最重要的一步，但同时又是理解起来最困难的一部分，其中有些定义还不是很明白，其中的逻辑也不是很清晰，如果在关键词的解释中有什么不对的地方，请多多指教。
1、 *material,name
(a) *material 命令提示以下命令进入材料定义模块，它只起到提示的作用,无数据行；
(b) name指定材料的名称。abaqus采用文字的形势定义材料类型，达到看词知意的效果;而ansys中通过材料号来区分材料，其命令为
当定义完材料的名称后，首先需要定义的是材料的弹性行为
2、*elastic,&type&
数据行（弹性模量,泊松比,温度,......）
(a) *elastic命令必须紧跟*material关键词，即在*material之后立即定义*elastic，否则程序会出现错误提示；
(b) 材料的弹性行为可以用弹性模量以及泊松比来定义。ansys中采用mp,mu,,,与mp,es,,,来定义材料的弹性特性；
(c) type=isotropic定义材料为各向同性材料；
type=orthotropic 定义材料为正交各向异性材料
type=anisotropic 定义材料为完全各向异性材料
type=short fiber 定义材料为复合材料
3、*density
(a) 定义材料的密度
土木结构中常用的材料有钢材、混凝土，以下简单列举这两种材料的塑性行为：
***钢材材料定义
4、*plastic,&harding&
(a) 此项关键词是定义钢材的塑性行为，即屈服后的应力应变关系；
(b) harding=isotropic 指定材料为各向同性硬化，缺省设置；
harding=kinematic定义线性随动强化模型；
harding=combined定义非线性各项同性/随动强化模型
harding=combined指定johson-cook强化模型
harding=user用户自定义的各向同性强化模型
(c) 根据可选参数的不同，*plastic关键词的数据行有不同的形式，常用的参数有
*plastic,harding=isotropic
屈服应力，塑性应变，温度，第一场变量，第二场变量，，，第四场变量
*plastic,harding=kinematic
屈服应力，塑性应变，温度，
(d) 数据行中，屈服应力以及塑性应变为真实的数据，且第一个塑性应变必须为零。
(e) ansys中通过tb,命令定义材料的应力－应变曲线，且给出了应力－应变曲线上从弹性到塑性阶段的点，而在abaqus中要分别对弹性与塑性进行定义。
***混凝土材料的特性
混凝土有两种模型：弥散裂纹混凝土模型与混凝土损伤塑性模型。两种不同的模型具有不同的定义内容
弥散裂纹混凝土模型的关键词词组为（三项/四项）：
*tension stiffning
*failure ratios
(*shear retention) 可选项
混凝土损伤塑性模型的关键词词组为（五项）：
*concrete damaged plasticity
*concrete tension stiffening
*concrete compression harding
*concrete tension damage
*concrete compression damage
***弥散裂纹混凝土模型
5、*concrete
数据行（抗压应力，塑性应变）
(a) 在abaqus/standard中定义素混凝土塑性阶段行为，必须同*tension stiffening关键词同时使用
(b) 塑性应变以0.0作为起始
6、*tension stffening,&dependencies&,&type&
(a) 定义混凝土开裂后混凝土的后续行为；
(b) 对denpendencies的理解一直很模糊，所以在这里不知该怎么解释；
(c) type=displacement 选项的意思是：通过位移来解释混凝土开裂后的特性，
type=strain（缺省）通过直接定义混凝土开裂后的应力－应变曲线来描述混凝土裂后特性；
(d) 当type的内容不同时，数据行的内容也有所改变
*tension stiffening,type=strain
混凝土的剩余应力与开裂时应力之比，直接应变减去开裂应变的绝对值，温度，第一场变量，，，，第五场变量
*tension stiffening,type=displacement
开裂后混凝土丧失强度时的位移，温度，第一场变量，，，，第五场变量
7、*failure ratio,&dependencies&
数据行（双轴极限压应力与单轴极限压应力之比（默认1.16），单轴极限拉应力与单轴极限压应力之比的绝对值（默认0.09），双轴极限压应力对应的塑性应变主分量与单轴极限压应力对应的塑性应变之比（默认为1.28），平面应变状态下开裂时受拉主应力与单轴拉应力之比（默认为1/3））
(a) 此关键词选项为定义弥散裂纹混凝土模型破坏面形状。
8、*shear retention,&dependencies&
数据行(e-close,e-max,,,温度，第一场变量，，第三场变量)
(a)在弥散混凝土模型中，这个关键词可选也可不选，主要为定义开裂表面混凝土抗剪模量是穿越裂缝的受拉应变的函数；
(b)e-close的默认值为1.0，对于这个数据的意义在abaqus说明中没有详细定义，个人认为类似与裂缝闭合时剪力传递系数，在ansys中采用concrete,,裂缝闭合剪力传递系数，裂缝张开时剪力传递系数，单轴抗压强度，，，，来指明；
***混凝土损伤塑性模型
9、*concrete compression damage,&dependencies&,&tension recovery&
数据行（抗压破坏变量dc， 非弹性(压碎)应变，温度，第一场变量，第二场变量，，，第五变量）
（第六变量，，，，，）
(a) 此关键词为定义混凝土损伤塑性模型的受压破坏(或者刚度退化)的特性；
(b) 此项关键词必须同*concrete damaged plasticity, *concrete tension stiffening以及 *concrete compression harding选项同时使用；
(c) &tension recovery& 参数用来定义从受压转为受拉时混凝土刚度恢复系数wt,如果wt=1，材料完全恢复受拉刚度，如果wt=0,材料受拉刚度不恢复，在0与1之间说明材料恢复部分受拉刚度。缺省设置为0.0；
10、*concrete tension damage,&dependencies&,&compression recovery&,&type&
抗拉破坏变量dt，直接开裂应变,温度，第一场变量，第二场变量，，，第四场变量
(a) 定义混凝土损伤塑性模型开裂破坏特性；
(b) &compression recovery& 从抗拉状态转入抗压状态时混凝土材料的抗压刚度的恢复系数，如果wc=1则表示材料完全恢复抗压刚度，当wc=0时表示材料不能恢复抗压刚度，1&wc&0时表示材料恢复部分抗压刚度；
(c) type=strain(缺省)指定受拉破坏变量是开裂应变的函数，type=displacement指定受拉破坏变量是开裂位移的函数。
11、*concrete compression harding,&dependencies&
数据行（抗压屈服应力，非弹性压碎应变，非弹性压碎应变率，温度，第一场变量，第二场变量，，第四场变量）
(a) 定义混凝土损伤破坏塑性模型中混凝土强化段的特性；
(b) 第一个应力－塑性应变关系中，塑性应变以0.0开始。
12、*concrete tension stiffening,&type&,&dependencies&
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在常用的有限元分析软件中，ANSYS,ABAQUS,NASTRAN，LS-DYNA等因为其友好的界面，强大的分析功能，丰富的前后处理，而占据了绝大部分CAE市场。就应用而言，ANSYS在高校里面具有绝对的优势，在图书馆中，ANSYS的书籍多如牛毛。而当我们离开象牙塔后，却发现ABAQUS在企业中占据了相当的份额，尽管在高校图书馆中，ABAQUS的书籍屈指可数。本博客准备展开系列考察，对ANSYS和ABAQUS从各个方面进行比较，通过具体算例以考察各自的适用领域，各自的优缺点，从而方便CAE爱好者选择适合自己的工具进行分析。请读者注意，这系列博文只是笔者个人的观点，因为视野的局限性，其中一定有偏颇之处，所以请朋友们带着怀疑的眼光来看待这些文章，既不要盲目相信笔者的观点，也不要因为自己习惯用ANSYS或者ABAQUS，就一味否定其它软件。
本篇博文是第一篇，主要阐述这两款软件在基本理念上的区别。
ABAQUS与ANSYS的第一个区别，笔者感觉是工程化与学术化的区别,ANSYS偏学术，而ABAQUS则偏于工程。这一点从二者划分网格形成有限元模型的时间点可以看出来。在ANSYS的经典界面中，第一步就要选择单元类型，然后可以用直接法首先创建节点，根据节点创建单元，此后可以在单元上施加载荷，在节点上施加边界条件。总之，这种操作一开始，就让人感觉到在使用有限元方法工作。虽然在ANSYS
WORKBENCH中内部隐藏了单元类型的选择问题，但是在得到几何模型后，接着立即是划分网格得到有限元模型，再次是施加边界条件进行求解。总体上，ANSYS给人的感觉是，有限元模型味道浓厚。但是ABAQUS则并不强调有限元模型。对ABAUQS而言，划分网格是很靠后的事情，用户开始总是在与几何模型打交道，创建几何模型，设定材料，确定截面属性，并将截面赋予给几何体，接着从零件得到装配体，建立零件之间的关系，以及确定分析步，设置载荷与边界条件，这一切都结束以后，直到求解之前，ABAQUS才漫不经心的地开始划分网格，网格划分完毕后，立即就是求解了。可见，ABAQUS对于有限元这种东西并不强调，而开始只是一门心思关注如何从工程师的观点建立问题的力学模型，只是到求解之前才转变成为有限元模型，这显然是很符合工程师的视角的。从这个方面看，ABAQUS与SOLIDWOKRS/SIMULATION很相似，二者关注的是对于工程问题的建模，而不是有限元方法本身。仅从这个角度，我们都可以明白，为什么ABAQUS更受到市面上工程师的欢迎的原因。因为它强调的是如何表达工程问题，而非求解的数值方法。它的视角是工程师的视角，而非有限元专家的视角。
ABAQUS与ANSYS的第二个区别，来自分析步这个概念的处理。ANSYS并不太强调分析步，而ABAQUS则非常强调分析步的概念。对于ABAQUS而言，其第一个分析步，通常是创建位移边界条件，然后再是施加载荷，这必定是在某一个分析步中进行的。在ABAQUS中，我们有一种明显的感觉，就是它时刻准备着用户对同一个模型进行一系列先后相继的分析，而前一个分析步的结果会是后一个分析步的初始状态。这种概念，非常适合机械中的连续制造过程，例如板料冲压，锻造等。虽然在ANSYS中也有分析步的概念，但是笔者接触ANSYS多年，很多时候都会忘记这个概念，如果涉及到对于一个几何模型的先后操作，则主要是通过在各个分析系统中建立关系而得到的。例如，在静力学分析完毕后进行模态分析，可以通过先后两次分析得到。但是ABAQUS则是在同一个工作的分析步级别完成这种工作，这给人一种感觉，在ABAUQS中，连续使用多个分析步进行分析是一种最常规的工作，而这种工作对于ANSYS而言，则貌似一种高级的作业。
ABAQUS与ANSYS的第三个区别，在于装配体概念的处理。对于ANSYS而言，无所谓装配这种概念，虽然它可以创建组件，创建“装配体”，但是那种装配体并非工程意义上的装配体的概念。而ABAQUS则相当强调装配体的概念，对于ABAQUS而言，如果没有装配体，就不能做分析。即便装配中只有一个零件，也需要有装配体。所以，在ABAQUS中，当分别创建完各个零件后，需要逐个导入到装配体中进行装配操作。那么这种概念是好还是不好？很难说是好还是不好，就笔者感觉而言，ABAQUS给人一种感觉，它一开始就在面对装配体，而这种对象，对于初期的ANSYS而言，是很讨厌的事情，只是到近几年的ANSYS
WORKBENCH中，才大幅度增加了对于装配体的支持，如今，ANSYS
WORKBENCH中对于装配体的支持已经十分完善。尽管如此，ANSYS
仍旧并没有把装配体这样的概念像ABAQUS那样大书特书，至于如此显赫的地位，使得装配体操作成为必须经过的一个步骤。笔者以为，ABAQUS之所以如此强调装配的概念，是基于结构设计工程师的角度考虑的。对于结构设计工程师而言，他们极少只与单个的零件打交道，他们一工作，对象就是装配体，所以ABAQUS迎合了工程师的这种观念，使得他们在进行有限元建模时，就好像在进行几何体建模与装配一样。总之，在这个方面，ABAQUS再次体现了其面对结构设计工程师，从结构设计工程师的视角考虑问题的特点。
ABAQUS与ANSYS的第四个区别，在于截面这个概念的处理。在ANSYS中，只是梁，杆，板这种对象才需要截面。而且即便是这种理想对象，有时候也不需要截面，而只是提供实常数就好。笔者在学习ANSYS时，也经常弄不清楚，到底哪些杆单元需要实常数，而哪些是用截面来表达的，这不得不去查单元的帮助。而在ABAQUS中，把截面属性这个概念提到了重要位置。无论是什么物体，线体，板壳，甚至是实体，都需要有截面属性。这种统一，就使得设置截面属性也成为分析中必要的一步。这种统一，就笔者而言，初始很不习惯，但是一旦用几次以后，觉得也很好，免得像ANSYS中那样，还要考虑对于某个单元，要不要截面属性的问题。
总结这四个方面，笔者的感觉是，ABAQUS更倾向于从结构设计工程师的角度考虑问题，而ANSYS则更加学术化，倾向于从有限元角度考虑问题。正因为如此，ABAQUS更适合应用，而ANSYS利于研究，但这只是从基本概念方面考虑所得到的结论。
但事实上，ANSYS
WORKBENCH做应用也非常好，当我们用习惯以后，感觉在ANSYS中建模分析都飞快，几乎都不用按几下鼠标，一个分析就自动完成了。对于材料属性的自动设置，单位的方便选择，网格的自动划分，丰富多彩的边界条件和载荷形式，这都是ABAQUS所不可匹敌的。至于ANSYS的经典界面，笔者仍旧不大感冒，尽管它做某些特殊分析非常好，但是对于复杂的装配体分析，WORKBENCH还是首选。
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