Abaqus是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。

Abaqus在各國的工業(yè)和研究中得到廣泛的應(yīng)用，在大量的高科技產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著巨大的作用。下面，我們一起看下Abaqus在八大工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。
一、建筑工程
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及我國改革開放的深入，土木行業(yè)也得到了前所未有的發(fā)展，目前建筑物不光越來越高大，而且越來越美觀、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，同時(shí)又給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)，對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)做靜、動(dòng)力計(jì)算已經(jīng)變得必不可少，Abaqus在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。以下是其具體應(yīng)用。
1.高層建筑結(jié)構(gòu)的振型分析
Abaqus提供了三種求解振型的方法：Lanczos方法，Subspace方法和AMS方法，其中AMS方法（自動(dòng)多重子結(jié)構(gòu)法）對于大規(guī)模問題的振型分析速度是傳統(tǒng)Lanczos方法的10倍以上。
2.高層剪力墻彈塑性動(dòng)力分析
近年來，隨著建筑行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施，對建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性分析要求終于被正式地寫人行業(yè)規(guī)范之中。為滿足結(jié)構(gòu)的二階段設(shè)計(jì)抗震設(shè)防要求，各地有大量的超高層建筑或標(biāo)志性工程被要求進(jìn)行彈塑性分析，以保證這些建筑物在發(fā)生數(shù)百年一遇的罕遇地震時(shí)仍能保證足夠的承載力，不至于造成過大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。
3.框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析
針對動(dòng)力學(xué)問題，尤其地震響應(yīng)，Abaqus既采用隱式動(dòng)力學(xué)算法，同時(shí)也可以進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，在時(shí)域內(nèi)對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題進(jìn)行分析。
下圖是央視大廈的地震響應(yīng)分析結(jié)果。

4.空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲分析
空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲分析是此類結(jié)構(gòu)的重要分析內(nèi)容，下圖是上海世博軸陽光谷的屈曲分析。

5.體育場結(jié)構(gòu)分析
深圳市大運(yùn)會(huì)主體育場位于深圳市大運(yùn)中心，是深圳市政府為第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)新建的主體育場。
這座體育場總共有20個(gè)支座，每個(gè)支座都是采用“倒扣碗”的方式來實(shí)現(xiàn)理想餃接，即“球在下，碗在上”。

結(jié)構(gòu)主受力桿件遭受恐怖襲擊，發(fā)生局部斷裂時(shí)的抗倒塌能力。結(jié)果證明結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲(chǔ)備，只發(fā)生局部損壞，不會(huì)出現(xiàn)倒塌。

6.混凝土開裂分析
XFEM技術(shù)，可以模擬如混凝土等材料的斷裂。斷裂面可以穿透單元，無須加密網(wǎng)格就可以捕捉到裂紋開裂走向。
另外SPH方法也可以用于模擬混凝土等結(jié)構(gòu)受沖擊載荷的開裂問題，也無須事先定義裂紋路徑。

二、巖土工程
Abaqus可以很好地模擬巖土的力學(xué)性能及對巖土工程的各個(gè)方面進(jìn)行模擬包括非線性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系、瞬態(tài)固結(jié)、穩(wěn)態(tài)流變、井點(diǎn)降水、土體液化分析、施工過程、巖土的應(yīng)力-變形與穩(wěn)定性、邊坡應(yīng)力及穩(wěn)定性、邊坡和酮室錨固效應(yīng)分析、路基、底座、深基坑、樁等的承載能力與沉陷分析、土體與鋼筋混凝土道路主體間的相互作用、錨固鋼纜、預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐、隧道加強(qiáng)筋等鋼結(jié)構(gòu)與巖土和混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過程模擬，以下是幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。
1.地下結(jié)構(gòu)開挖問題
工程結(jié)構(gòu)總是按照一定的操作順序施工的，控制條件不一定是施工結(jié)束時(shí)，而往往在施工過程中。巖土工程分析要?jiǎng)討B(tài)地模擬施工過程中結(jié)構(gòu)形體的變化、材料的演變、約束與外載條件的改變等。這是與材料非線性、幾何非線性或邊界非線性而不同的一種非線性，只能用計(jì)算過程的模擬才能體現(xiàn)出來，也就是說巖土工程分析應(yīng)當(dāng)是一種動(dòng)態(tài)的過程分析，只有進(jìn)行過程分析，其結(jié)果才是合理的。上海虹口商貿(mào)城非常靠近地鐵8號(hào)線和3號(hào)線，最近處僅幾米，應(yīng)用Abaqus評估商貿(mào)城地下結(jié)構(gòu)的開挖對地鐵的影響程度。

2.邊坡穩(wěn)定的剪切帶計(jì)算
剪切帶現(xiàn)象的本質(zhì)是材料的不穩(wěn)定性，材料不穩(wěn)定研究中的一個(gè)十分重要的問題是多尺度和標(biāo)度律的問題。在材料發(fā)生不穩(wěn)定性時(shí)，不同的物理過程，不同的微一細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在某個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)，將以其特有的動(dòng)力學(xué)行為，在某個(gè)特征尺度上表現(xiàn)自己，它對計(jì)算力學(xué)構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

3.節(jié)理材料的邊坡穩(wěn)定性分析
巖石是一種非常復(fù)雜的材料。其材料屬性不光表現(xiàn)高度非線性,而且由于節(jié)理的存在表現(xiàn)各向異性。Abaqus在巖石方法不光提供了巖石的塑性屬性，而且提供了其節(jié)理屬性。

4.某高層建筑倒塌分析
高層建筑通常采用樁筏基礎(chǔ)，樁筏設(shè)計(jì)部合理或者受到特殊載荷會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞，導(dǎo)致建筑物倒塌。

三、橋梁工程
結(jié)構(gòu)涉及幾何非線性問題，這種非線性是由于大位移、彎矩和軸力之間的相互作用而產(chǎn)生的，任何一個(gè)實(shí)際的工程問題都希望能根據(jù)設(shè)計(jì)方案，從理論上、計(jì)算上以及試驗(yàn)上對其進(jìn)行校核，將方案做得更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，風(fēng)險(xiǎn)降到更低。對于設(shè)計(jì)之后的分析，用于設(shè)計(jì)的近似方法已經(jīng)不能提供足夠的精確度，我們必須建立準(zhǔn)確的模型，借助計(jì)算機(jī)精確地分析結(jié)構(gòu)。

1.橋梁施工過程模擬
在橋梁施工方面Abaqus提供了單元生死(Model Change)、鋼筋混凝土材料屬性以及鋼筋預(yù)緊力等功能。下圖是某大橋施工過程的模擬。

2.橋梁模態(tài)分析
Abaqus提供了兩種求解振型的方法:Lanczos方法和Subspace兩種方法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別實(shí)用于規(guī)模較大，頻率提取多的結(jié)構(gòu)和規(guī)模小，頻率提取少的結(jié)構(gòu)。右圖橋梁長140m，高80m。其一階和四階振型如下圖所示。

3.美國金門橋地震響應(yīng)分析
Abaqus有功能強(qiáng)大的顯式求解器，下圖是利用Abaqus顯式求解器對美國金門大橋做的地震響應(yīng)分析。

4.橋梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
Abaqus6.11推出了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，支持接觸、幾何非線性、材料非線性及制造約束。一般通過5~50次設(shè)計(jì)循環(huán)將獲得滿意結(jié)果，優(yōu)化后的幾何模型還可以通過Abaqus/CAE導(dǎo)出為STL文件或者INP文件，供設(shè)計(jì)使用。下圖為某橋梁的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

四、水工工程
Abaqus對于模擬諸如大壩等建筑物的力學(xué)行為具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，可以對這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，并且可以進(jìn)行防滲計(jì)算。在計(jì)算中可以考慮水壓力、溫度場、滲流場、重力場作用以及溫度場和力場、滲流場和力場的耦合。
1.土壩施工、快速降水及抗震分析
當(dāng)土體的坡度小于一定值時(shí)，土壩的結(jié)構(gòu)取決于土體保持穩(wěn)定的能力。但是在一定的載荷情況下，土體的穩(wěn)定性要做折衷處理，在設(shè)計(jì)過程中要考慮到這些載荷情況。

1）施工模擬
分析過程：在第一階段，去掉大壩各單元，將巖石層在地壓或重力作用下的變形進(jìn)行建模。在每個(gè)階段加入新的填筑層。在填筑每一層時(shí)進(jìn)行瞬時(shí)固結(jié)分析。
2）蓄水模擬
所有三層構(gòu)筑完成后,水壩分三個(gè)階段蓄水，并求解蓄水結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)過程。
3）快速降水模擬
分析水庫中的水在7小時(shí)內(nèi)全部放干，土壩的應(yīng)力、孔壓等的變化情況。
4）抗震模擬
因?yàn)榈卣鸬妮d荷是動(dòng)態(tài)的，所以應(yīng)該考慮全部的慣性力，包括土壩內(nèi)孔隙中流體和水庫中水的影響。

2.柯依納(Koyna)重力壩抗震分析

壩基尺寸長為103m，寬71m，當(dāng)?shù)匕l(fā)生地震時(shí)，水庫的水位為91.75m。采用Abaqus對該壩在實(shí)測的地震加速度作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，采用混凝土損傷塑性材料模型，分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和任意載荷作用下結(jié)構(gòu)的破壞情況。

3.海堤抗波浪荷載分析

海浪的運(yùn)動(dòng)形式是復(fù)雜的，如何有效分析其對水工結(jié)構(gòu)的影響一直是困擾理論界的問題，Aalborg大學(xué)的工程師利用Abaqus分析在不穩(wěn)定頻率下波浪對海堤的影響。

4.水電站直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)分析

直埋式蝸殼即鋼蝸殼外直接澆注混凝土,屬于完全聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)，是一種為解決高HD值管道結(jié)構(gòu)鋼襯厚度過大并保證其整體安全性的設(shè)計(jì)理論和工程技術(shù)，像三峽電站這么大直徑蝸殼結(jié)構(gòu)的采用直埋方案，國內(nèi)外尚沒有先例。因此，專題立項(xiàng)對其中的關(guān)鍵問題加以深入研究，為方案論證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

5.巴拿馬運(yùn)河擴(kuò)建項(xiàng)目抗震分析
在巴拿馬運(yùn)河擴(kuò)建工程中，面對極其巨大的水閘（55米寬、427米長、31.3米高)，設(shè)計(jì)人員最終選擇達(dá)索系統(tǒng)的Abaqus作為項(xiàng)目的抗震分析軟件。
·Abaqus強(qiáng)大功能和靈活性適用于模擬復(fù)雜問題
·界面接觸(允許在地震作用下混凝土和巖石之間發(fā)生分離和滑移)非線性材料(Mohr-Coulomb plasticity model and hardening)
·吸能邊界條件
·水對抗震的影響
·統(tǒng)一前后處理界面和方便的流程自動(dòng)化

五、防火工程
建筑物中的火的發(fā)展包括火災(zāi)起始，充分發(fā)展，衰滅三個(gè)階段，是一個(gè)復(fù)雜的燃燒，傳熱，傳質(zhì)，湍流過程，其中涉及到各種非線性問題。Abaqus強(qiáng)大的非線性功能可以很好的模擬火在建筑物中的傳遞，以及整個(gè)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形直到其徹底失效。
1.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火分析
在強(qiáng)烈的高溫作用下，鋼結(jié)構(gòu)簡體的承載強(qiáng)度迅速下降，二十分鐘之后就出現(xiàn)徹底破壞。以下是模擬鋼框架梁發(fā)生火災(zāi)，以獲得火災(zāi)設(shè)計(jì)失效時(shí)間以及特定條件下火災(zāi)計(jì)算公式。

2.鋼結(jié)構(gòu)建筑防火分析
以下是八層鋼框架結(jié)構(gòu)在四層出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的有限元模擬，考慮到火的流動(dòng)形式對變形的影響。最后計(jì)算了結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生火災(zāi)時(shí)截面變形?？梢钥吹交鸬牧鲃?dòng)方式不同導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的形式也是不同的。

3.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火分析
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下自我保護(hù)能力明顯的高于鋼結(jié)構(gòu)，但是鋼筋混凝土材料本身的非線性使得問題的分析要比單純鋼結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。以下是國家某自然資金項(xiàng)目，采用Abaqus分析梁柱節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)下的變形和應(yīng)力，以及破壞部位，進(jìn)而探討采取何種方法延緩破壞的發(fā)生。

4.鋼筋混凝土建筑整體防火分析
世界著名結(jié)構(gòu)公司Arup使用Abaqus軟件進(jìn)行火災(zāi)分析，以探討在火災(zāi)情況下結(jié)構(gòu)失效機(jī)理，發(fā)生部位，以及如何避免發(fā)生火災(zāi)后高層建筑結(jié)構(gòu)可能失效的發(fā)生，從而幫助公司穩(wěn)固在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)的領(lǐng)先地位。

當(dāng)三層受火時(shí)，構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)被加熱到800℃，周邊的柱以及拱頂達(dá)到400℃左右，受火一小時(shí)之后可以在最終破壞形式圖中看到塑性餃的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的最終破壞。
六、交通工程
交通工程涉及到道路，機(jī)場跑道，地鐵，軌道交通以及鐵路等，Abaqus由于其先進(jìn)的非線性分析功能，能夠很好的模擬真實(shí)的土壤同接觸物的關(guān)系，因此在各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。
1.鐵軌的應(yīng)力分析
印度IIT Kanpur大學(xué)的工程人員利用Abaqus進(jìn)行鐵軌的應(yīng)力分析，考慮到在鐵軌中的裂縫和可能存在瑕疵。
圖片

Abaqus可以模擬各種可能的缺陷，比如焊接接口，在不同鐵軌之間的連接，以及其他可能的裂縫。
2.機(jī)場跑道分析以及設(shè)計(jì)
為了設(shè)計(jì)新型飛機(jī)的跑道，rowan university的設(shè)計(jì)人員利用Abaqus進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并且同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以分析目前跑道的性能，是否適合于新型飛機(jī)。同時(shí)通過分析結(jié)果改進(jìn)現(xiàn)有跑道土層和覆蓋層的厚度和等級。

3.普通道路在移動(dòng)荷載下分析
應(yīng)用輪胎/地面接觸三重非線性的分析方法，應(yīng)用Abaqus建立輪胎/地面接觸有限元模型，考慮了輪胎、土壤材料非線性、幾何非線性和輪胎/土壤接觸非線性。
4.組合式混凝土護(hù)欄沖擊分析
采用Abaqus/Standard對組合式鋼筋混凝土護(hù)欄的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。在模型中，考慮到材料、幾何和接觸等非線性因素對模擬的影響，通過分析，對結(jié)構(gòu)的合理性給出評價(jià)，并對結(jié)構(gòu)的受力分析，給出滿足設(shè)計(jì)要求的鋼筋和螺栓尺寸。

5.板式無酢軌道結(jié)構(gòu)的行車動(dòng)力特性研究
無碴軌道是一種新型軌道結(jié)構(gòu)，以混凝土或?yàn)r青混合料等取代散粒道碴道床而組成的軌道結(jié)構(gòu)型式，具有軌道整體性好（強(qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性)，軌道幾何形位能持久保持，平順性高，剛度均勻性好，養(yǎng)護(hù)維修工作量顯著減少，服務(wù)期長，軌道結(jié)構(gòu)高度低、自重輕，無高速運(yùn)行下的道碴飛濺等特點(diǎn)。
圖片

七、海洋工程
海洋工程領(lǐng)域是Abaqus應(yīng)用的重要方面，在此領(lǐng)域Abaqus有著優(yōu)秀的解決復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)問題的經(jīng)驗(yàn),美國船級社（ABS)，中國船級社等多個(gè)國家的船級社以及海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司采用A baqus作為主要分析軟件。
1.海洋平臺(tái)的安全分析
“南海五號(hào)”是由挪威設(shè)計(jì)的“Pacesetter”型半潛式鉆井平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命為20年。采用設(shè)計(jì)波方法和三位線性水動(dòng)力理論并自行開發(fā)軟件對波浪載荷進(jìn)行計(jì)算。有限元模型前處理通過PATRAN軟件完成，后處理通過Abaqus軟件完成。模型共有150320個(gè)節(jié)點(diǎn)、273065個(gè)單元，對平臺(tái)在自存、作業(yè)、拖航狀態(tài)下的22個(gè)工況按DNV規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)評估與評價(jià)。
“渤海8號(hào)”海上自升式鉆井平臺(tái)始建于1980年，最大工作水深76.2m。多年海上作業(yè)導(dǎo)致該平臺(tái)腐蝕、裂紋問題嚴(yán)重，本項(xiàng)目主要是根據(jù)平臺(tái)的檢測結(jié)果和平臺(tái)的實(shí)際使用要求和狀況，對平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，對無損探傷發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行工程臨界評估，以確定平臺(tái)現(xiàn)在的實(shí)際狀況是否滿足安全作業(yè)的要求。采用Abaqus軟件對平臺(tái)在預(yù)壓、自存、作業(yè)下的24種工況進(jìn)行了極限強(qiáng)度分析、對疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。

2.柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析
水下建筑物和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算分析，主要集中于柔性，復(fù)合體大尺度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，波能轉(zhuǎn)換，水產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，海上油氣田等。

3.海上結(jié)構(gòu)在流冰荷載下的反應(yīng)分析
在有結(jié)冰的海域建造海洋工程結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮冰對結(jié)構(gòu)的作用。冰荷載的主要作用形式有：①巨大的冰原包圍結(jié)構(gòu)、整個(gè)海面處于冰覆蓋狀態(tài)。在潮流和風(fēng)作用下的大面積冰原呈整體移動(dòng)擠壓結(jié)構(gòu)。若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠,則冰原將被切入或破斷而移動(dòng),荷載呈周期性變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。②自由漂流的冰對結(jié)構(gòu)的沖擊力。③由于氣溫驟變引起整體冰蓋層對結(jié)構(gòu)的擠壓力。④凍結(jié)的冰蓋層因水位變化而產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)的上拔力或下曳力以及冰塊對結(jié)構(gòu)的摩擦力等。上述第一種作用對結(jié)構(gòu)具有更大的危險(xiǎn)性。

4.港口碼頭分析
港口碼頭由于地理?xiàng)l件復(fù)雜，且可能需要承受水平?jīng)_擊力，通常結(jié)構(gòu)采用樁筏基礎(chǔ)且有部分水平受荷樁，樁土共同作用分析顯得尤為重要。

八、特種結(jié)構(gòu)工程
1.內(nèi)部高溫下的容器變形模擬
類似油罐等結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中常常需要考慮極限載荷或?yàn)?zāi)難性載荷作用下的變形。Abaqus可以保證結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)很好的收斂性。

2.預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼分析
該項(xiàng)目由美國核管理委員會(huì) (NRC)和核動(dòng)力工程公司(NUPEC)組織并資助，用于研究核容器在超過設(shè)計(jì)壓力時(shí)的性能。該項(xiàng)目包括幾個(gè)階段，其中一個(gè)階段是將預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器(PCCV)結(jié)構(gòu)內(nèi)壓加到失效狀態(tài)，在55個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出位置預(yù)計(jì)變量的演化過程。核容器設(shè)計(jì)壓力：0.39MPa，線性增加到0.78MPa，高度非線性(開裂)：0.78MPa到 1.4MPa。Abaqus擁有復(fù)雜的混凝土損傷模型，靈活的Rebar單元模擬鋼筋，高精度非線性求解，對大規(guī)模三維模型進(jìn)行并行計(jì)算等功能來完成該項(xiàng)目的模擬。

3.核電站地震響應(yīng)分析
俄羅斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元軟件模擬核電站在地震載荷、空氣爆炸、飛行器碰撞等特殊動(dòng)力沖擊下的響應(yīng)譜，確保結(jié)構(gòu)的安全性。由于核電站結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的振動(dòng)模態(tài)形式，采用三維有限元的計(jì)算結(jié)果比原來采用的基于梁理論的分析方法更加貼近實(shí)際。

4.壓力容器在高溫下抗火和抗爆
加拿大Queen大學(xué)的科研人員利用Abaqus分析不同體積的壓力容器在整體失火和局部失火發(fā)生爆炸的反應(yīng)，分析影響容器失效的各個(gè)參量。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)和有限元模型的對比來驗(yàn)證其有效性。為壓力容器在火災(zāi)爆炸下的防護(hù)提供解決方案。

Abaqus軟件詳情：Abaqus有限元分析軟件