Tổng quan về ABAQUS

Tổng quan về Abaqus
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phần I: Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài
toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện
biên cụ thể.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp
của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các
miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến
phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên
từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa
các phần tử.
Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng để
giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương
trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt. Lời giải gần đúng được
đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những
vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi
phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương
pháp sai phân hữu hạn,….
PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó
mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm.Trong
PPPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử.
Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử


được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm
(hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được
gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán.
Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra
một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn
định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và

tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên
vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và
nhược điểm. PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc giải phương trình vi phân
từng phần trên những miền phức tạp (giống như những chiếc xe và những
đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu về độ chính xác thay đổi trong toàn
miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác
thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều
này có thể thực hiện được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN,
ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF,
ABAQUS, ...


Phần 2 :Giới thiệu về ABAQUS và cách xây dụng mô hình tính toán
trong ABAQUS
2.1 Tổng quan về ABAQUS
Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mền lớn dùng để mô phong công
trình,kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề
của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề môn phỏng phi
tuyến phúc tạp. ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình
dạng bất kỳ. Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính
năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao
phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,…. ABAQUS không chỉ giải quyết
vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), vần có khả năng mô
phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích
âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp.
ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và
ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc
biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete
ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý

như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới….
ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và sử lý kết quả.


2.2. Các bước giả lập một bài toán trong chương trình ABAQUS/CAE
Giao diện ABAQUS/CAE:

Hình 1: Giao diện ABAQUS/CAE
Chúng ta làm việc nhiều với khối ABAQUS/ CAE vì thế mà chúng ta sẽ
đi phân tích làm việc với khối này. Khối này làm việc với các modul theo
thứ tự như sau: PART, PROPERTY, ASSEMBLY, STEP, INTERACTION,
LOAD, MESH, JOB, VISUALYZATION, SKETCH.

Hình 2: các modul làm việc của khối ABAQUS / CAE


Part: Modul này là hàng loạt công cụ dùng để xây dựng mô hình với các
biên dạng khác nhau từ những yếu tố đơn giản đến phức tạp. Như điểm (
, đường thẳng (
nhật (

), đường tròn (

) đường cong bất kì (

)

), hình chử

)...từ những phần tử đơn giản này chúng ta có thể xây dựng nên

những biên dạng phức tạp. Từ đó chúng ta có thể tạo nên những mô hình
phức tạp. Ngoài ra ABAQUS còn có công cụ Import để nhập các file được
xây dựng từ các phần mềm khác rất tiện lợi cho việc xây dựng mô hình.
Chúng ta có thể lấy những mô hình chuẩn như bánh răng, ổ lăn, đinh vít từ
các phần mềm khác như SOLIDWORKS, CATIA... để tiện cho việc đảm
bảo tính tiêu chuẩn và đồng bộ.

Hình 3: thao tác nhập file đã xây dựng thông qua phần mền khác
Property: Đây là modul dùng để gán thuộc tính vật liệu cho từng phần
trên mô hình của chúng ta. Công cụ Tool / Partition để phân chia mô hình
theo các phần chúng ta mong muốn. Property / Creat Section

dùng để

tạo nên các mặt cắt với các đặc tính vật liệu đã được định nghĩa trong


Property / Creat Material

. Sau khi dùng công cụ Property / Section ta

được các mặt cắt yêu cầu và gán vào các partition bằng Property/ Assige
section

. Từ đó hoàn thành việc xây dựng và gán vật liệu cho mô hình

của chúng ta.
Assembly: Modul này là modul dùng tạo hoặc sửa đổi các lắp ghép các
cụm mô hình. Nó chỉ làm nhiệm vụ lắp ghép các bộ phận của mô hình được

xây dựng từ phần Part. Dùng công cụ Instance part

để đưa các khối

Partition vào bản vẻ lắp và thực hiện các công việc lắp ghép. Nếu như chúng
ta không thay đổi gì thì nó sẽ mặc định giữ nguyên cho chúng ta hình dạng
và vị trí các partiton như chúng ta xây dựng ở phần trước. Chúng ta sử dụng
lệnh Assembly / Instance part chúng ta sẽ có cửa sổ xuất hiện như sau:

Hình 4: Thao tác trong Assembly
Dependent ( mesh on part ) là lựa chọn việc lắp ghép có phụ thuộc vào
lưới chia. Ngược lại thì Independent ( mesh on part ) là lựa chọn không phụ


thuộc vào lưới chia. Chế độ tự động bù từ một đối tượng mới ( Auto- offset )
tùy chúng ta chọn. Ngoài ra cũng giống như các phần mềm khác khi chúng
ta đưa một đối tượng vào một bản vẽ lắp nếu cần chỉnh sửa chúng hoặc sắp
xếp theo một thứ tự nhất định thì ABAQUS cũng như vậy, hổ trợ các công
cụ như Linear pattern
Instance

, Radial pattern

, Edit feature

, Translate Instance

, Suppess feature

, Delete feature

, Rotate
… để

xắp xếp chỉnh sửa các đối tượng được đưa vào. Ngoài ra các thao tác và lệnh
còn được hỗ trợ ở thanh Menu bar chúng ta có thể nghiên cứu và thực hiện
để đạt được mục đích yêu cầu. Sau khi chúng ta hoàn thành modul này thì
chúng ta có một mô hình với đầy đủ các bộ phận và lắp ghép giữa chúng với
nhau.
Step: Các bước tính toán và điều kiện biên cho bài toán sẽ được phần
mềm đưa ra nhờ vào modul Step chỉ cần dùng lệnh Creat step chúng ta đã
tạo được các bước tính toán cho bài toán chúng ta yêu cầu. Việc thiết lập các
và lựa chọn các output sẽ cho ta các kết quả đầu ra mong muốn.
Interaction: Bạn có thể sử dụng modul này để xác định và quản lí các đối
tượng sau đây:
-

Cơ khí và nhiệt tương tác giữa các vùng của một mô hình hoặc

giữa một khu vực của một mô hình và môi trường xung quanh nó.
Các khu vực giao diện và các khớp nối.
Phân tích những hạn chế giữa các vùng của một mô hình.
Quán tính ( khối lượng, quán tính quay, và nhiệt, điện dung) trên
các vùng của mô hình.
Vết nứt trên các vùng của mô hình.
Lò xo và giảm chấn giữa hai điểm của một mô hình hoặc giữa một
điểm của mô hình và mặt đất.


Thiết lập các điều kiện tiếp xúc, đối với bài toán của chúng ta có liên quan

đến ứng suất, độ bền tiếp xúc và hệ số ma sát v.v.. ta có một số thông số thiết
lập như trên hình.

Hình 5: Thiết lập bước tính toán
Load:Sử dụng modul này để có thể xác định và quản lí các yếu tố sau:
Đặt tải trọng: Dùng lệnh Load / Create load

để đặt tải trọng cho bài

toán. Chúng ta có thể lựa chọn các loại tải trọng khác nhau mà ABAQUS
đưa ra, trên hình vẽ là ba loại tải trọng cơ bản thường dùng trong thực tế.


Hình 6: Đặt tải trọng tác dụng
Điều kiện biên: Sử dụng lệnh Load / Create Boundary condition
để đặt các điều kiện biên cho mô hình. Chúng ta có thể hạn chế hết 6 bậc tự
hoặc chỉ hạn chế những bậc tự do cần thiết. Trong bảng Edit Boundary
Condition:

Hình 7: Đặt điều kiện biên
Xác đinh trước các điều kiện như độ cứng,vận tốc..
Sử dụng lệnh Load / Creat Predefined field

để đặt các điều kiện

ban đầu cho một yếu tố, vùng nào đó trên mô hình.
Hay đặt các trường hợp tải cụ thể với công cụ Load / Creat load case
: Có nghĩa là mỗi trường hợp tải là một tập hợp các tải và điều kiện biên
được sử dụng để xác định một điều kiện tải cụ thể. Có thể sử dụng một hoặc
nhiều trường hợp tải để nghiên cứu các phản ứng tuyến tính của một cấu trúc

chịu tải. Ví dụ như một loạt các tải khác nhau như: Tĩnh nhiễu loạn, tải động,
tĩnh tải…
Trong các công cụ trên thì chúng ta sử dụng các công cụ như Load /
create Load và Load / Create boundary condition bởi nó khá cơ bản và dễ


dùng và thích hợp với các bài toán. Hai công cụ còn lại chỉ dùng trong các
trường hợp phức tạp hơn, với các yêu cầu đặc biệt hơn.
Mesh: Modul Mesh chứa các công cụ cho phép tạo ra các mắt lưới trên
các bộ phận và lắp ráp tạo ra trong ABAQUS / CAE. Ngoài ra, các modul
này chứa các chức năng xác minh một lưới hiện có. Chia lưới với kích thước
càng nhỏ thì bài toán có kết quả càng chính xác. Chúng ta có thể chia lưới tự
động hoặc chia theo từng đối tượng. tùy theo mức độ yêu cầu của bài toán.
Job: Là modul thực hiện các bước giải sau khi chúng ta hoàn thành các
yêu cầu của bài toán. Hoàn thành modul này là lúc bài toán được giải quyết.
Modul này cho phép chúng ta xuất ra các file *.INP, *.ODB, *.DAT…đưa ra
được kết quả bài toán.
Visualization: Là modul chứa các công cụ để thể hiện các kết quả bằng
hình ảnh chuyển vị kèm theo các thông số như ứng suất, chuyển vị…
Phân tích kết quả thu được
Khi hoàn tất quá trình mô phỏng, toàn bộ kết quả của bài toán sẽ được ghi
vào file *.ODB, tại đây chúng ta có thể quan sát trạng thái ứng suất, biến
dạng của phần tử thong qua chuyển vị cũng như màu sắc của phần tử. Bên
cạnh đó, ABAQUS còn cho phép ta suất kết quả dưới dạng số, với tọa độ và
thứ tự của từng phần tử, từng nút. Trong bài toán của chúng ta, kết quả chủ
yếu được quan tâm là ứng suất, cụ thể là ứng suất Von-Mises.