Cvičení 1: Začínáme s ABAQUSem


Cíl cvičení

Cílem cvičení je seznámení se s výpočtovým programem ABAQUS, představení jeho vnitřní struktury a představení "filozofie modelování". Budou představeny jednotlivé moduly programu (a jejich stručná charakteristika) a bude představen způsob práce s manuálem programu ABAQUS.


1. Instalace programu ABAQUS

Výpočtový program ABAQUS mohou mít studenti a zaměstanci ČVUT nainstalován na svém osobním PC, podmínkou je ovšem stálé připojení k internetu - program si v nepravidelných intervalech ověřuje bežící licenci, která je umístěna na školním serveru el.fsid.cvut.cz. Podrobný návod instalace ABAQUSu najdete zde. Stejně tak je ABAQUS dostupný na PC, které jsou umístěny v učebně 405b na FS ČVUT. Ačkoliv je licence univerzitní a není omezen rozsah úloh, je omezen celkový počet současně spuštěných úloh.

2. Charakteristika systému ABAQUS

Výpočtový program ABAQUS se skládá z celé řady produktů, které jsou speciálně určené k řešení různých typů úloh. Všechny produkty jsou implamentovány do výpočotvého programu ABAQUS. Pro přehlednost a pro účely výuky jsou zde uvedeny pouze první tři nejvýznamnější produkty, které budou použity během výuky. Podrobný popis všech produktů lze najít v manuálu (viz. Obr.01) v sekci 1.1 The Abaqus products a nebo na domovských stránkách výrobce zde. Členění a struktura výpočtového programu ABAQUS je patrná z obrázku uvedeného níže, kde jsou uvedeny také tři nejvýznamnější produkty Abaqus/CAE, Abaqus/Standard a Abaqus/Explicit.

 

Preprocessing (Abaqus/CAE)

V této části je modelována úloha (geometrie, materiálové vlastnosti, okrajové podmínky, zatížení, atd..) a následně je úloha "odeslána" k výpočtu. Současně je i vygenerován Input file (*.inp). Model je vytvářen v grafickém prostředí Abaqus/CAE a zároveň se vše ukládá do Input souboru ve formě textových příkazů. Z tohoto souboru lze vygenerovat kompletní model ovšem pouze ve formě konečně prvkových entit (MKP síť) - geometrie modelu se neukládá.

Simulation (Abaqus/Standard or Abaqus/Explicit)

Výpočet zadané úlohy. Obvykle výpočet běží na pozadí a v závislosti na typu úlohy je k výpočtu používán Abaqus/Standard nebo Abaqus/Explicit. Výsledky výpočtu (typicky ve formě posuvů a napětí) jsou ukládány v souboru s koncovkou *.odb, ze kterého jsou pak výsledky načteny během Postprocessingu. V závislosti na výkonu PC a hlavně na náročnosti výpočtové úlohy je délka výpočtu od několika málo vteřin až několik dní.

Postprocessing (Abaqus/CAE)

V této části programu Abaqus je možné zobrazit, vyhodnotit a exportovat výsledky výpočtových analýz. V závislosti na volbě výpočtáře jsou zde zobrazeny pole napětí, posuvů, reakční síly atd. Vizualizace je prováděna v modulu Abaqus/CAE, ale může být provedena i v dalších postprocesorech. Visualization modul který načítá výsledky z binárního output databáze souboru (*.odb - jehož velikost může být dosti značná v závislosti ma množství výsledků a náročnosti úlohy) tyto výsledky může zobrazovat jako barevné mapy, animace, deformovaný tvar a jako grafy X-Y.

3. "Filozofie" tvorby výpočtových modelů

Výpočtový model je v programu Abaqus vytvořen pomocí několika na sebe navazujících kroků, které mají svou posloupnost přičemž "filozofie" modelování vychází z logického postupu tvorby jako fyzického modelu. Každý z délčích kroků je v prostředí Abaqus/CAE vytvářen v příslušných modulech. Optimální postup tvorby výpočtového modelu je následující:

 

Modul Part - v tomto modulu je vytvořena geometrie jednotlivých dílů výpočtového modelu. Geometrie se tvoří ve Skicáři (Modul Sketch) nezávisle na tom, zda je těleso 1D, rovinné, rotační nebo obecně 3D. Zde je také zadán typ tělesa - deformovatelné či dokonale tuhé (Rigid). Dále se zde moho vytvářet lokální souřadné systémy, sety geometrických entit a plochy

Modul Propery - dalším krokem je definování materiálových vlastností jednotlivých dílů. Právě velká škála typů možných materiálových modelů (včetně uživatelských) je velmi silnou vlastností programu Abaqus. V tomto modulu se také definují sekce (Section) jednotlivýchdílů, ke kterým jsou přiřazeny odpovídající materiálové modely. Dále se zde zadávají profily nosníkových dílů (Beam), tloušťka skořepin (Shell), vrstvy kompozitních materiálů a orientace těchto vrstev, atd.

Modul Assembly - zde se vytváří Instance dílu a poku je výpočtový model složen z více dílů je zde vytvořena sestava těchto dílů. Jednotlivé díly modou být vzájemně svazbeny (pozn. tato vazba nemá fyzikální význam, je to pouze svazbení polohy, které nevyvolá jakékoliv fyzikální účinky či interakce!!)

Modul Step - v tomto modulu je definován typ úlohy (statická, dinamická, akustika,...), dále počet výpočetních kroků (stepů) a nastavení výpočtové úlohy (lineární/nelineární, inkrementace, stabilizace, atd.). Dále se v tomto modulu definují výstupy výsledků výpočtové úlohy (pole napětí, deformací, kontaktní tlaky, atd.)

Modul Interaction - jak napovídá samotný název, tak v tomto modulu jsou zadávány vzájemné vazby a interakce mezi jednotlivými díly výpočtového modelu. Jsou zde zadávány např. kontaktní páry a vlastnosti kontaktů, fyzikální vazby (coupling, tie,...). Dále zde mohou být vutvořeny speciální prvky - konektory (Connector), které mohou nahrazovat některé vazby, či elementy. Zadávají se zde i referenčí body a souřadné systémy.

Modul Load - zde je možné zadávat okrajové podmínky (uložení, roviny symetrie, teplotní pole, atd.) a zatížení dílů (osamělá síla, moment, tlak, gravitační zrychlení, rychlost, moment setrvačnosti, atd.).

Modul Mesh - v tomto modulu je vytrvářena konečněprvková síť v dílech modelu, zde je volen typ použitých elementů a jejich formulace (lineární, kvadratická, s redukovanou integrací, hybridní,..). Je zde také nastavena velikost elementů, metoda síťování a ověřuje se zde i kvalita vygenerované sítě.

Modul Job - v tomto modulu se vytvoří "výpočet" (Job), kde se zadává velikost paměti určené pro preprocessing a výpočet, stejně tak počet použitých procesorů. Zde se také generuje input soubor (*.inp) a výpočtová úloha se odesílá do výpočtu (z prostředí Abaqus/CAE).

Modul Vizualization - zde jsou zobrazovány výsledky výpočtové analýzy, které mohou být zobrazovány jako barevné mapy či vektory. Dále zde mohou být vytvářeny grafy, generovány obrázky ve formátech TIFF, PS, EPS, PNG

4. Práce s manuálem

Celý manuál výpočtového programu Abaqus má formát interaktivních webových stránek, které lze prohlížet ve všech běžných prohlížečích a je součástí instalace vlastního programu. Při instalaci se na lokálním PC vytvoří virtuální webový server na kterém je provozován celý manuál (typicky je na adrese http://vasePC:2080/v6.7/ ). Manuál Abaqusu je složen hned z několika sekcí (lze si je představit jako jednotlivé knihy manuálu), které jsou ovšem navzájem propojeny živými odkazy a každá sekce je věnována speciální oblasti. Na ČVUT je manuál Abaqus v6.5 dostupný i na školním serveru http://web.fs.cvut.cz:2080/v6.5/. V následujícím textu budou velmi stručně popsány pouze některé ze sekcí manuálu, které jsou používány nejčastěji. Podrobný popis práce s manuálem Abaqusu naleznete v manuálu zde (Using Abaqus Online Documentation --> 1.1 The Abaqus documentation collection).

Abaqus/CAE User's Manual (viz. Obr.02): Tato část manuálu programu Abaqus detailně popisuje použití grafického prostředí Abaqus/CAE,. Zejména postup tvorby výpočtového modelu, přípravu a nastavení výpočtové úlohy, zapracování a vyzualizaci výsledků. Pro začínající uživatele programu Abaqus je to nejvhodnější zdroj informací.

Abaqus Keywords Reference Manual (viz. Obr.03): V této části manuálu jsou stručně popsány jednotlivá klíčová slova, která jsou používána v *.inp souboru (podrobnosti o tomto souboru jsou uvedeny níže). Manuál je ideální pro rychlou orientaci v konkrétní oblasti, ktrá je určena klíčovým slovem. Najdete zde také přímé odkazy do dalších částí manuálu, kde jsou podrobné informace, či příklady. Tato část je spíše pro pokročilejší uživatele, ketří se již orientují v prostředí programu Abaqus.

Abaqus Analysis User's Manual (viz. Obr.04): V této nejobsáhlejší části manuálu programu Abaqus jsou detailně uvedeny veškeré informace týkající se elementů, materiálů, výpočtů, okrajových podmínek atd. Je to fundamentální část celého manuálu, které je určena pro začínající i pokročilé uživatele.

Abaqus Example Problems Manual (viz. Obr.05): Zde jsou uvedeny ukázkové řešené příklady, na kterých jsou prezentovány možnosti použití konkrétních podmínek při výpočtech. Dále jsou na těchto příkladech ukázány rozdíly při použití výpočtových technik, elmentů, okrajových podmínek atd.

Abaqus Theory Manual (viz. Obr.06): Tato část manuálu programu Abaqus je věnována tdetailnímu popisu teorie, matematických postupů, a numerických metod. Manuál je určen pro uživatele s poměrně širokým spektrem znalostí zejména matematiky a mechaniky kontinua.

5. Prostředí Abaqus/CAE

Podrobný a přehledný popis grafického prostředí Abaqus/CAE najdete v sekci 2.2 Introduction to Abaqus/CAE manuálu Getting Started with Abaqus: Interactive Edition. Na tomto místě uvádím jen několik obecných poznámek:

 

6. Soubor abaqus_v6.env

Při instalaci programu Abaqus je do PC nahrán i textový soubor abaqus_v6.env ze kterého program načítá nastavení prostředí pro výpočet např. umístění licenčního serverua typ licence, velikost alokované paměti pro pre processing a vlastní výpočet, počet procesorů atd. Důležité je umístění tohoto souboru, který musí být uložen na stejném místě odkud je spouštěn i výpočet tj. pokud máte na vašem PC nastavenu working directory (tu si určujete během instalace programu) odkud spouštíte výpočet např. d:\Abaq_temp měl by být soubor abaqus_v6.env umístěn na stejném místě. Stejně to platí i v případě, že je výpočet spouštěn na výpočetním serveru pomocí termínálového okna. Pro běžné použití stačí nastavení několika následujících parametrů (hodnoty jsou pouze ilustartivní!):

pre_memory = "1024 mb" velikost alokované paměti na pre processing
standard_memory = "2048 mb" velikost alokované paměti na vlastní výpočet
cpus = 2

počet použitých procesorů (standardně cpus=1)

abaquslm_license_file = "1700@el.fsid.cvut.cz"

název licenčního serveru

Na tomto místě apeluji na přiměřenost zadávaných parametrů, na většinu řešených úloh stačí poměrně malé harwerové prostředky a není nutné omezovat i další uživatele nepřiměřenými nároky na výkon. Požadované vellikosti pamětí najdete na konci souboru s koncovkou *.dat po provedení datacheck před vlastním výpočtem.

7. Input soubor (*.inp)

Input soubor programu Abaqus je textový soubor ve formátu ASCII, který může být vygenerován v grafickém prostředí Abaqus/CAE, nebo přímo v textovém editoru. V input souboru jsou zapsány jednotlivé podmínky výpočtu pomocí Klíčových slov (Keyword), před kterými je VŽDY v textu uvedena jedna hvězdička " * ". Pokud jsou hvězdičky dvě (a více) za sebou je text za nimi považován za komentář. Klíčová slova jsou zapsána na keyword lines za kterými následují data lines. Podrobný popis input souboru najdete v sekci 1.3.1 Defining a model in Abaqus, Abaqus Analysis User's Manual. Podrobnosti k syntaxi zápisu input souboru je v sekci 1.2.1. Input syntax rules Abaqus, Analysis User's Manual. Struktura input souboru se skládá v zásadě ze tří částí (oddílů), které budou v následujícím textu velmi stručně popsány:

  1. Input soubor začíná klíčovým slovem *HEADING, kde je zadán název výpočtu. V input souboru se toto klíčové slovo může vyskytovat pouze jednou
  2. Druhou částí input souboru jsou data, které specifikují výpočtový model (Model data). Zde jsou definovány jednotlivé díly, instance a sestavy dílů pomocí uzlů a elementů. Dále jsou zde zavedeny materiálové parametry, počáteční podmínky, uložení, vazbové podmínky atd.
  3. Třetí částí input souboru jsou data, která specifikují vlastní výpočtovou úlohy, zatížení, nastavení výpočtu, definice výstupů atd. (History data).

Obecně lze říci, že input soubor je přehledný zápis celého výpočtového modelu v textové podobě. Pro zkušenější uživatele je mnohem rychlejší upravit výpočet změnou parametrů klíčových slov v input souboru, než tu samou změnu provést v grafickém prostředí Abaqus/CAE. Nicméně je nutná určitá míra znalostí a zkušeností s programem Abaqus. Pro začínající uživatele je mnohem přehlednější a spolehlivější použití grafického prostředí. Význam tohoto souboru spočívá především v to, že vzdálený výpočet na serverech které jsou k dispozici na ČVUT Fs se spouští právě pomocí input souboru. Na výpočtových serverech není grafické prostředí Abaqus/CAE. Ukázkový input soubor si můžete prohlédnout zde.