abaqus結構能量的案例
3D打印晶格結構提升作戰(zhàn)頭盔能量吸收，General Lattice與美國陸軍簽訂合同
導讀：晶格結構具有重復、多孔等特性，能夠吸收振動能量，實現(xiàn)抗沖擊的特性。因此，備受運動以及軍用裝備的青睞。
△General Lattice頭盔晶格
南極熊獲悉，數(shù)字制造軟件公司General Lattice, Inc.正在開發(fā)預測建模工具包，根據(jù)真實數(shù)據(jù)設計和生成晶格材料，用于改進美國陸軍作戰(zhàn)頭盔的沖擊吸收技術。為此，General Lattice已于2021年9月21日宣布與美國陸軍簽訂合同，進行為期一年的研發(fā)項目。據(jù)悉，項目目前正在伊利諾伊州芝加哥的General Lattice工廠進行。作為項目的一部分，General Lattice將與軍事和聯(lián)邦服務提供商All Points Logistics LLC和快速制造公司GoProto, Inc.合作。
晶格材料改造傳統(tǒng)設計
傳統(tǒng)泡沫材料的功能幾乎已經達到了可開發(fā)的盡頭，晶格材料成為了普遍公認的替代性、創(chuàng)新性材料。隨著3D打印晶格結構技術和材料的不斷改進，這類結構對于吸收沖擊能量的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，并逐漸被制造商認可并廣泛應用，尤其是用于改善健康和安全。
△General Lattice的3D打印晶格結構。照片來自General Lattice
許多公司都在積極設計和驗證3D打印晶格結構產品，尤其是鞋類產品。阿迪達斯和Carbon聯(lián)合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領結形FWDCELL格子中底將緩沖性能提高了23%，在垂直負載下的前向運動增加了三倍，同時將峰值制動力降低了15%。
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《Acta Materialia》密排六方材料{10-12}孿晶的界面結構和能量學！
盡管HCP晶體結構是最常見的三種晶體結構之一，但其變形模式更加復雜。對于晶體材料，要適應一般應用變形，其母晶體結構必須提供至少5種獨立變形模式。FCC/BCC立方系統(tǒng)通過一定數(shù)量的滑移系統(tǒng)能夠滿足這一標準，但在HCP中是不可能的，除了滑移外，HCP材料需要通過孿晶模式配合進行變形。這就是為什么HCP材料在變形條件下表現(xiàn)出極大的孿生效應，從而導致顯著的應變硬化響應和微觀結構的疲勞響應敏感性。HCP材料中主要的孿晶系統(tǒng)是{10-12}孿晶模式，在過去20年一直是活躍的研究課題。盡管已有相關研究，但對K1={10-12}TB的結構、孿生機制以及與該機制相關的能壘仍存在一些分歧。
美國伊利諾伊大學的研究人員通過晶體分析方法(CAM)、分子靜力學(MS)和密度泛函理論(DFT)模擬，系統(tǒng)地確定其結構、機理和能量變化，從而解決普遍存在的認知差異。相關論文以題為“{10-12} Twin interface structure and energetics in HCP materials”發(fā)表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117256
研究發(fā)現(xiàn)在考慮孿晶的原子勢能和體積不變的基礎上，確定晶格偏移量為非正常的。
展開 Abaqus應用之能量篇
該文檔主要介紹了Abaqus/Explicit分析中的能量相關內容，包括能量平衡表述、輸出及相關特點，具體如下：
一、能量平衡表述
1．能量平衡公式：
其中， EI 為內能，EV為粘性耗散能，EFD是摩擦耗散能，EKE是動能，EW是外加載荷所做的功。這些能量分量的總和為，它必須是個常數(shù)。在數(shù)值模型中， 只是近似的常數(shù)，一般有小于1％的誤差。
2．內能組成
內能是能量的總和，它包括可恢復的彈性應變能EE；非彈性過程的能量耗散（例如塑性）EP；粘彈性或者蠕變過程的能量耗散ECD；和偽應變能EA：
l 彈性應變能EE：可恢復的能量。
l 非彈性耗散能EP：如塑性變形等過程的能量耗散。
l 粘彈性耗散能ECD：粘彈性或蠕變過程的能量耗散。
l 偽應變能EA：包括沙漏阻力及殼和梁單元橫向剪切中的能量，大量偽應變能表明需對網格進行細劃或修改，單元偽應變能密度可查看各單元偽應變能情況，偽應變能ALLSE<5%時沙漏可控制。
3．粘性能：
由阻尼機制引起，包括體粘性阻尼和材料阻尼，與粘彈性或非彈性過程耗散能量不同。
4．外力功
由節(jié)點力（力矩）和位移（轉角）定義，指定邊界條件也有貢獻。
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王中林院士團隊：基于彈簧輔助多層結構的球形摩擦納米發(fā)電機高效水波能量收集
研究人員設計并制造了一種基于彈簧輔助多層結構的球形TENG，用于收集水波能量。在水波觸發(fā)下，TENG依靠Al電極和FEP薄膜之間的接觸和分離工作。研究了由函數(shù)發(fā)生器控制的水波頻率和幅度對單球TENG器件輸出性能的影響。并且通過調整多層結構中銅塊的質量和基本單元數(shù)量可以進一步優(yōu)化性能。該研究成功制備了一種用于有效收集水波能的球形摩擦納米發(fā)電機，通過結構設計與優(yōu)化，其輸出電流和輸出功率較以往工作均有較大幅度提高，顯示了納米發(fā)電機在大規(guī)模收集水波能中的潛在應用價值。
來源：高分子科學前沿
ABAQUS中的能量平衡
2、我分析的是結構在地震波作用下的反應，通過查看資料發(fā)現(xiàn)，能量方程有兩種，即相對能量方程和絕對能量方程，相對能量方程是動力方程兩邊對“相對位移”積分得到的，絕對能量方程式動力方程兩邊對“絕對位移”積分得到的，我在ABAQUS幫助文件中沒有找到這些能量項計算的公式說明，請問這些能量項的計算公式在哪本資料上能夠查的到？還想再問下，如果求地震波輸入結構中的能量，是否就是外力功ALLWK這項呢？
3、根據(jù)您博客中的內容，內能=彈性應變能（Es）+塑性能（Ep）+阻尼耗能（Ev）+蠕變耗能（Ec），而彈性應變能（Es）=損傷耗能（Ed）+可恢復能（Ee），這里的損傷耗能Ed是ABAQUS中變量ALLDMD（Damage dissipation energy）嗎？它代表什么意思呢？
比對公式2，如果ALLSE指的是可恢復的彈性應變能，那么是否公式2中少了一項損傷耗能（Es），不知該怎么理解？
展開 ABAQUS能量平衡輸出變量
Total energy output quantities
ALLAE
“Artificial” strain energy associated with constraints used to remove singular modes (such as hourglass control), and with constraints used to make the drill rotation follow the in-plane rotation of the shell elements.
ALLCD
Energy dissipated by creep, swelling, and viscoelasticity.
ALLEE
Electrostatic energy.
ALLFD
Total energy dissipated through frictional effects. (Available only for the whole model.)
ALLIE
Total strain energy. (ALLIE = ALLSE + ALLPD + ALLCD + ALLAE + ALLQB + ALLEE + ALLDMD.)
ALLJD
Electrical energy dissipated due to flow of electrical current.
ALLKE
Kinetic energy.
ALLKL
Loss of kinetic energy at impact. (Available only for the whole model.)
ALLPD
Energy dissipated by rate-independent and rate-dependent
展開 abaqus鋼管壓縮及能量輸出
abaqus鋼管壓縮及能量輸出
Abaqus準靜態(tài)小例子: 能量平衡、質量放大
Abaqus準靜態(tài)問題小例子
1，定義：將顯示問題用于準靜態(tài)問題需要一些特殊的考慮，由于準靜態(tài)問題一般是較長時間的求解過程，它將需要大量的時間增量，為了獲得較經濟的解答，采取一些措施是必要的。但是帶的問題是隨著加載速度的增加，慣性力起著越來越多的作用。因此必須保證慣性力的影響不至于影響到結果的準確度。
那么加載的速度應該是多大呢？ 我們知道，結構的最低階模態(tài)通?？刂浦?em>結構的響應。如果知道結構的最低階模態(tài)，我們就可以估計出適當?shù)撵o態(tài)響應所需要的時間，通常理想的加載時間的最低階模態(tài)周期的10倍，以確保解答是真正的準靜態(tài)。在加載過程中，保證施加的載荷光滑性是非常重要的。光滑幅值曲線為我們提供了一個好的方法。
2 質量放大技術，
利用中心差分法求解時，解的穩(wěn)定性是時間步長t必須小于該問題求解方程性質中某個臨近值t1—聲波通過該單元的時間.
網格中的最小單元尺寸將決定t1的大小，網格尺寸越小，t1越小從而使計算量越大。t1還可以表示成，t1=L/C ，其中C=sqrt（E/P）—聲波的傳輸速度
P是材料的密度，E是彈性模量，泊松比假設為0.從這個方程上我們可以看出，如果網格中某個單元的尺寸過小，計算量將會產生不合理的增加。如果我們將材料密度認為的增加f^2倍，波速C就會降低f倍，臨界穩(wěn)定時間t1就會增加f倍。所需要的時間就會相應的減少。對質量縮放的部分，最好是集中在單元尺寸小的網格上。
3，能量平衡
評估模擬是否產生了正確的準靜態(tài)響應，當模型太復雜時，單純的通過應力作用不明顯，通常的作法是通過對比能量的角度，能量平衡方程式：
E1+EV+EKE+EFD-EW=Etotal=constant
其中E1是內能增量（包括彈性和塑性應變能），EV是粘性耗散吸收的能量，EKE是系統(tǒng)的動能，EFD是摩擦耗散的能量，EW是外力作的功，Etotal系統(tǒng)中的總能量。
展開 ABAQUS動態(tài)分析中的能量平衡、沙漏及結果評估
ABAQUS動態(tài)分析中的能量平衡、沙漏及結果評估
ABAQUS歷史輸出中，各能量變量（ALLAE、ALLIE、ETOTAL等）意義
ABAQUS中，對于很多動態(tài)問題，尤其像高速沖擊模擬中，對結果評價很重要的一點就是要保證模型能量守恒，這就涉及到ABAQUS歷史輸出中各能量變量的意義，下面最各簡單整理：
ALLAE：人工偽應變能，六面體、殼網格中沙漏發(fā)生情況指標
ALLCD：蠕變、膨脹以及粘彈性消耗的能量
ALLFD：摩擦消耗的能量
ALLIE：總的內能，ALLIE=ALLSE+ALLPD+ALLCD+ALLAE+ALLQB+ALLEE+ALLDMD
ALLKE：動能
ALLKL：碰撞消耗的能量
ALLVD：粘性消耗的能量
ALLDMD：破壞消耗的能量
ETOTAL：所有能量的總和
NOTE：ALLAE（偽應變能）的理解：偽應變能就是控制沙漏變形所消耗的主要能量。如果偽應變能過高，說明過多的應變能被用來控制沙漏變形了。一般通過比較偽應變能和其他內部能量的值來判斷偽應變能是否過高，以及判斷過高的偽應變能的來源。
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【公益帖】abaqus中的ETOTAL 能量澄清，解釋為何有時為負？
顯式計算中，觀察ETOTOL發(fā)現(xiàn)有時能量為負，覺得不太可能，主要原因是大家對ETOTAL的物理含義有誤解，在abaqus的幫助文檔中 4.2.1 Abaqus/Explicit output variable identifiers給出了ETOTAL物理含義，代表的是總的平衡能，具體代表什么呢？ 如下
ETOTAL 總的能量平衡
ETOTAL = ALLKE + ALLVD + ALLSD + ALLKL + ALLFD + ALLJD + ALLIE – ALLWK
ALLKE 動能
ALLVD 耗散能（粘性引起，不包括 ALLSD 和 ALLCD）
ALLSD 耗散能（自動穩(wěn)定引起，如接觸）
ALLKL 動能損失（沖擊引起）
ALLFD 耗散能（摩擦引起）
ALLJD 耗散能（電流引起）
ALLIE 總應變能
ALLIE = ALLSE + ALLPD + ALLCD + ALLAE + ALLQB + ALLEE + ALLDMD
ALLSE 應變能(可恢復)
ALLPD 耗散能（塑性變形引起）
ALLCD 耗散能（粘彈性、蠕變、膨脹引起）
ALLAE 偽應變能
ALLQB 耗散能（無限單元引起，如無反射邊界）
ALLEE 靜電能
ALLDMD 耗散能（裂紋引起）
ALLWK 外力功
那么出現(xiàn)了ETOTAL能量為負，并不是代表計算就有問題，總能來說ETOTAL月接近零越好。但是有時可能是一個比較大的值，這是否就說明計算有問題嗎？ 也不一定要看ETOTAL與 總動能（或者總勢能）的比值是否可以比擬，如果在1%以內我們認為也是可以接受的。
展開 ABAQUS輸出能量說明（Total energy output）——轉自公眾號CAE仿真空間
拿沙漏現(xiàn)象來講，它是零能模式，需要人為控制，增加一定的剛度，由此產生的能量并不是模型自身存在的，所以屬于偽應變能；而殼單元的面內轉動自由度屬于“虛假自由度”，是為了防止整體剛度矩陣奇異而引入的，所以由此而帶來的能量也不屬于系統(tǒng)自身產生的，也屬于為應變能。
我們都知道，當發(fā)現(xiàn)偽應變能過大時候，一般超過5%則需要考慮細化網格或做其它相應處理，否則計算結果可能存在問題。
ALLCD—粘彈性耗散能
材料粘滯性和彈性綜合作用耗散的能量，不包括線性粘彈性規(guī)律的超彈性等材料。
ALLFD—摩擦耗散能
整個模型因摩擦作用耗散的能量，僅對整個模型而言。
ALLKE—動能
ALLPD—非彈性耗散能
幫助里寫的是率無關或率相關的塑性變形而耗散的能量
ALLSE—可恢復的應變能
ALLVD—粘性耗散能
主要是因系統(tǒng)粘性阻尼和材料阻尼耗散的能量
ALLWK—外力做的功
僅針對整個系統(tǒng)模型而言
ALLIHE—內部熱能
ALLHF—外部對流的熱能
ALLDMD—裂紋損傷導致的能量損失
ALLDC—單元扭曲控制耗散的能量
ALLFC—流體腔能
針對整個模型而言，是所有流體腔做的負功（？？什么意思？？懂的朋友可以留言講講）
ALLPW—罰函數(shù)接觸產生的能量
包含通用接觸對和罰函數(shù)/運動學接觸對，僅對整個模型有效。
展開 Abaqus子結構與子模型分析技術 附ABAQUS結構工程分析及實例詳解文檔下載
“ 子結構和子模型什么區(qū)別？如何使用它們？-通過2個工程案例學習Abaqus中的子結構與子模型分析技術”
子結構與子模型技術在Abaqus中屬于模擬抽象化的范疇，所有Abaqus模型都涉及一定程度的抽象，但是除了傳統(tǒng)有限元的抽象方法之外，還可以通過以下幾種模擬抽象化技術來降低求解成本。
子結構
子模型
生成矩陣
對稱模型生成、結果傳遞和循環(huán)對稱模型
周期介質分析
網格劃分的梁橫截面
擴展有限元方法（XFEM）
適當?shù)乩眠@些抽象化建模技術可以極大地提高Abaqus的分析效率，本期文章介紹一下子結構和子模型技術。
01
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子結構
在有限元分析里，子結構也叫超級單元，是由多個單元組成的一個“整體單元”，它在線性分析的基礎上消除了“整體單元”中保留節(jié)點以外所有節(jié)點的自由度；子結構的系統(tǒng)矩陣（剛度、質量）也被縮聚成較小的矩陣，可以根據(jù)需求恢復內部求解。
展開 基于Abaqus的建筑結構隔震分析 附ABAQUS建筑結構分析應用下載
簡介
中國是一個地震多發(fā)國家，在建筑結構的全生命周期中，地震作用是可能引起結構嚴重破壞的最主要原因。在設計過程中，通過選擇合理的結構體系，保證結構具備足夠的強度和剛度，從而使結構抗震性能滿足要求。規(guī)范中有眾多的具體條文來實現(xiàn)這一目標，比如：控制框架與剪力墻的剪力分擔比例和傾覆力矩分擔比例，從而實現(xiàn)框架剪力墻結構和框架核心筒結構的二道防線；控制混凝土構件的軸壓比，保證混凝土結構的延性；采用合理的配筋方案，保證墻柱弱梁、強剪弱彎和強節(jié)點等原則；以及通過剪重比控制結構的整體剛度等[1]。
除了規(guī)范中上述傳統(tǒng)設計方法，還可以通過增加阻尼構件或者耗能構件，提高結構的耗能能力，減小對主要承重構件的地震能量輸入。這種方法幾乎可以適用于所有結構，因此在高層設計中被廣泛采用。
另一方面，采用隔震方法減小地震能量的輸入，則可以降低結構整體在地震作用下的破壞，但由于隔震通常不適用于高層結構[2]，在一般多層中采用又會大幅提高成本，且相關規(guī)范不夠完善，因此在國內應用不多。
隔震結構的設計中，規(guī)范要求隔震結構相對于非隔震結構的底部剪力減小50%，則可以將結構的設防烈度降低一度進行常規(guī)設計[3]。因此，隔震設計的關鍵是增加隔震支座后結構的底部剪力。
本文采用Abaqus，通過時程分析的方法，對上述隔震結構的常規(guī)設計方法進行研究。
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