使用 Abaqus 模拟增材和减材工艺过程_Abaqus_化学_通用_建筑_增材_焊接_裂纹_减材_材料_控制

对于建筑和制造中的许多增材和减材工艺，有限元分析 (FEA) 可有效地用于了解添加或去除材料的影响。例如混凝土、塑料、金属等。FEA 使用户能够虚拟评估传热效果、自重变化或与这些过程相关的其他负载场景，从而提高计算精度并减少原型设计需求，以评估由此产生的位移形状、应力状态、潜在裂纹、和部分变形。数字模型中的材料可以立即添加或删除。或者，根据逐渐的材料变化，在进行实物投资之前指导合适的材料选择和工艺优化。

建筑和制造中的材料添加和去除

材料的添加用于建筑和制造过程。滑模混凝土结构和碾压混凝土被放置在升降机中，材料依次添加到结构中。热量作为混凝土固化的副产品释放，引起热应力，从而导致开裂。新材料贡献的额外质量将由本身固化并获得强度的混凝土承载。该过程与增材制造的过程类似。尽管规模和材料有所不同，但评估材料添加影响的建模过程是一致的。焊接是其中的一个子集，涉及高温和渐进式材料添加。

与此相反的是在物理、化学或其他加工过程中去除材料。用于去除材料的技术会产生热量，热量会传递到剩余的材料上。由此产生的热膨胀可能会导致暂时和永久的变形。并且，要去除的材料量应考虑零件的最终收缩和可能的变形。

如何使用 Abaqus 虚拟评估和优化材料添加和去除

SIMULIA Abaqus 软件提供了多种选项来模拟材料的去除或添加；状态变化、材料场变量和渐进元素激活。接触激活/停用可以单独使用，也可以与可用的不同方法一起使用，在 Abaqus 2022 中，此功能已扩展到 Abaqus Standard 中的一般接触。在这篇博文中，我们将了解如何在 Abaqus/Standard 中应用状态和材料场变量的变化。

状态的改变允许元素在一个步骤内被停用或激活，而场变量可用于改变材料属性以模拟移除或添加的效果。当需要逐渐增加或减少刚度而不是状态的瞬时变化时，场变量可能是有利的。这些程序可以独立或串联应用以达到所需的结果。渐进式元素激活是一种保真度较高的方法，允许完全和部分元素激活。有关此方法的更多信息可以在 Abaqus 文档中找到。

模型设置

将使用说明性示例来解释这些过程，因为将使用现场变量和模型更改方法来实现相同的结果。这些示例将重点关注应力/位移元素的背景；然而，这些方法可以得到更广泛的应用。矩形零件的一部分将被分段移除为八个单元。几何特性如表 1 所示，材料特性如表 2 所示。

初始和最终几何形状如图 1 所示。通过单独去除或降解零件内的八个单元，零件从初始配置转变为最终配置。

无论选择哪种方法，此过程的第一步都是对几何结构进行分区，以确定要移除的单元格。零件几何形状应反映最大尺寸 - 如果材料被去除，这将反映初始几何形状；如果添加材料，这将反映最终的几何形状。通过划分部分，可以将各个组分配给要删除的单元。

对于此示例，零件几何形状被划分为 3 × 3 × 4 单元，如图 2 所示。然后根据零件级别的几何形状将集合分配给各个单元。当需要重新网格化并且在装配体中以partname-instance.setname 的形式访问这些集时，此方法非常可靠。这里，这些组是根据它们在零件形式X1-Y1-Z1到X3-Y3-Z4中的 x、y、z 位置来命名的 - 后面的零件在图 2 中突出显示。零件名称为Part-1，第一个零件为 Part-1。并且该部分的唯一实例被标记为Part-1-1 。随后，集合X3-Y3-Z4在装配级别被识别为Part-1-1.X3-Y3-Z4 。

关键字编辑

场变量的空间变化用于引发局部材料降解，以及随后的材料去除或添加的效果。材料属性的编写依赖于指定的字段变量。温度依赖性是该通用框架的一个具体示例。通过在步骤内更改字段变量的值，属性会在模拟内的指定时间发生更改。振幅与所需组的场变量相关联，以管理空间变化，并随后控制哪些单元受到材料属性变化的影响。在此示例中，杨氏模量和泊松比降级到对模型内八个单元的零件刚度影响可以忽略不计的程度。

图 3 显示了具有场变量依赖性的材料属性。场变量数设置为 1。当场 1 等于 1 时，杨氏模量值为 200 000 MPa，泊松比为 0.3。当 Field 1 值增加到 2 时，这些属性分别降低到 2 MPa 和 0.01，可以忽略不计。

确定一个或多个幅度以引入场变量的空间变化并管理在时间步长上元素的移除。为要去除的八个细胞中的每一个设置唯一的幅度，并且通过改变表格值来交错去除。在图 4 中，显示了与X3-Y3-Z4组相关的表格振幅。与幅度相关的场变量将以 4 的步长时间从 1 增加到 2，并保持等于 2，直到步长结束。这是该步骤中要降级的第四组，总共使用 8 秒的步骤时间来单独降级每组

通过在 Model -> Edit keywords -> ModelName中找到的关键字编辑器中对模型进行修改，将一个或多个 amThe 振幅与唯一集关联起来。

在步骤 1 之前，将字段变量设置为等于 1 的初始条件，如图 5 所示。

在所需的步骤中，根据基于时间的幅度更改场变量。这里，幅度函数Amp-X3-Y3-Z4与装配级别和场变量 1 上的Part-1-1.X3-Y3-Z4集相链接，如图 6 所示。

通过定义具有场变量依赖性的材料，编写多个振幅函数，并将每个振幅函数与场变量和模型中的唯一集相关联。通过分析可以改变不同位置的材料特性。我们快速降低属性以模拟材料去除的效果。但是，对于材料添加来说，相反的情况也是可能的。此外，如果建立了材料强度曲线，则可以使用振幅函数来定义强度随时间逐渐增加或减少。弹性体的老化是随着时间的推移在负载、温度下发生降解。使用此技术时，应注意应用边界条件和载荷。这是为了避免材料性能下降时发生元件变形。

型号变更

模型更改类型交互是在步骤期间启动模型区域的添加或删除。移除后，Abaqus/Standard 会存储该区域在模型剩余部分边界上的节点处施加的力/通量。在移除步骤中，这些力逐渐降至零。这保证了模型的平滑效果，不妨碍收敛。如果模型更改是为了添加材料，则初始步骤将是有效的最终几何形状。应在第一步中使用模型更改交互删除将添加到模型的单元，然后可以在后续步骤中根据需要添加单个单元。为应力/位移单元提供两种类型的重新激活：无应变重新激活和有应变重新激活。有关这些选项的更多信息，请参阅 Abaqus 文档。

第二个模型显示了使用模型更改交互来移除细胞。在图 5 中，模型更改了X3-Y3-Z4的交互集。正如对字段变量的使用所做的那样，该集合是我们从模型中删除的第四个集合。为了实现顺序删除，设置X3-Y3-Z4随后在步骤 4 中停用。为了同时移除多个单元格，可以定义包含所有所需单元格的备用组。在“编辑交互”对话框中，为名为Part-1-1.X3-Y3-Z4的集按集选择几何区域。我们可以选择删除/添加的其他区域类型是皮肤、纵梁或元素。默认情况下，“停用”选项处于启用状态，因为在模型更改分析中，停用必须在重新激活之前发生。

材料去除/添加可能会导致数值问题，需要特别注意。为了避免这些问题和其他常见问题，请遵循以下准则：

边界条件：静态应力分析中材料的去除。确保模型的其余部分受到充分约束以防止出现无约束刚体模式非常重要。
载荷：在元件被移除或重新激活的区域施加的分布式和集中载荷可能需要修改。
元件：目前不适用于刚性元件、粘性元件、垫圈元件和压电元件。可以删除和重新激活 Abaqus/Standard 中的所有其他元素类型。
接触：如果连接到接触对的元件被移除，则在启动模型更改时应移除或停用接触对。
约束：如果要删除附加到受多点约束或线性约束方程约束的节点的所有元素，则该节点应为多点约束或线性约束方程的从属节点。
警告：在某些情况下，元素删除可能会导致 Abaqus/Standard 在消息文件中报告额外的未连接区域。忽略这些消息是安全的。

在此示例中，模型更改交互的使用是从装配体中单独移除每个组。对于顺序移除，每组都处于单独的时间步长中，并注意确保随后调整受移除影响的载荷和边界条件，避免刚体运动。在添加材料的情况下，所添加的材料将首先被删除，然后在适当的时候添加回模型。您可以根据模拟需求将字段变量依赖项添加到包含模型更改交互的模型。