Abaqus 是一款功能強(qiáng)大的統(tǒng)一有限元分析 (FEA) 軟件套件，廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，用于模擬復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界工程問題。它支持對金屬、復(fù)合材料、橡膠、混凝土、土壤等材料進(jìn)行詳細(xì)建模，以及熱傳遞和聲學(xué)等多物理場現(xiàn)象的分析。其靈活的單元庫和求解器技術(shù)使工程師能夠在同一工作流程中連接靜態(tài)、動態(tài)、熱和耦合分析。波音、空客、NASA 和勞斯萊斯等主要航空航天、國防和汽車公司都依賴 Abaqus 進(jìn)行設(shè)計和驗(yàn)證。通過虛擬仿真性能，可以減少開發(fā)時間和昂貴的物理測試，加快創(chuàng)新并確保安全性和認(rèn)證。

圖1：結(jié)構(gòu)有限元模型

Abaqus 廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析問題，其中組件使用詳細(xì)的單元網(wǎng)格進(jìn)行建模。該軟件內(nèi)置的材料模型涵蓋了從延性鋼到層壓復(fù)合材料的所有內(nèi)容，能夠真實(shí)地模擬彎曲、振動、屈曲和斷裂。它在非線性問題方面表現(xiàn)出色，例如大變形金屬成型和復(fù)合材料失效。

在行業(yè)中，工程師使用 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 來計算靜態(tài)載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變，預(yù)測模態(tài)形狀和頻率，并模擬瞬態(tài)事件（如沖擊或碰撞）。例如，航空航天公司使用 Abaqus 評估復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的逐層應(yīng)力，模擬空氣動力和熱載荷下的分層和裂紋擴(kuò)展，并預(yù)測薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲行為。通過 Abaqus 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析，可以在構(gòu)建昂貴原型之前及早識別弱點(diǎn)，從而加強(qiáng)或減輕設(shè)計（通過優(yōu)化鋪層或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。最終效果是減少開發(fā)迭代次數(shù)：通過早期發(fā)現(xiàn)問題，Abaqus 降低了后期重新設(shè)計或認(rèn)證失敗的風(fēng)險。

1、航空航天行業(yè)用例 在航空航天領(lǐng)域，Abaqus 解決了極端減重和嚴(yán)格安全要求等挑戰(zhàn)。典型應(yīng)用包括：

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析 ：現(xiàn)代飛機(jī)大量依賴碳纖維復(fù)合材料來減輕重量。Abaqus 可以模擬復(fù)合材料的復(fù)雜鋪層和失效模式。它能計算逐層應(yīng)力，預(yù)測載荷下的分層，并應(yīng)用失效準(zhǔn)則（如 Tsai-Wu、Hashin 等）來捕捉斷裂。特殊模塊（如 CZone）甚至可以模擬復(fù)合能量吸收組件的真實(shí)壓碎行為。

氣動結(jié)構(gòu)載荷分析 ：工程師使用 Abaqus 評估機(jī)翼、機(jī)身面板和航天器上的靜態(tài)和動態(tài)載荷。例如，可以通過 Abaqus/Explicit 模擬鳥擊或旋翼葉片撞擊，以確保碰撞場景中的結(jié)構(gòu)完整性。疲勞和損傷容限分析用于預(yù)測循環(huán)載荷（加壓循環(huán)、陣風(fēng)）下的壽命。

熱分析與耦合分析 ：渦輪發(fā)動機(jī)和航天器會經(jīng)歷極高的溫度。Abaqus 處理熱傳遞、熱應(yīng)力和流體-結(jié)構(gòu)相互作用（通過協(xié)同仿真或耦合求解器），用于分析發(fā)動機(jī)葉片、熱防護(hù)系統(tǒng)和電子設(shè)備外殼。這種多物理場能力使設(shè)計師能夠驗(yàn)證材料和結(jié)構(gòu)是否能在防火測試或再入熱載荷下不熔化或變形。

聲學(xué)與振動分析 ：Abaqus 包含聲學(xué)求解器，可估算座艙噪音和外部聲音（如起落架噪音），以及用于顫振和振動的結(jié)構(gòu)動力學(xué)工具。這有助于滿足噪音認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度。

裝配與制造分析 ：詳細(xì)的 Abaqus 模型可模擬復(fù)合材料鋪層褶皺（以預(yù)測皺紋）、固化引起的殘余應(yīng)力以及裝配夾具的配合。這些制造模擬可防止大型航空結(jié)構(gòu)中的缺陷，并確保零件正確裝配。 常見的航空航天問題包括薄殼意外屈曲、關(guān)鍵接頭疲勞開裂和組件熱性能不佳。Abaqus 通過虛擬測試幫助解決這些問題：例如，與其建造一個原型機(jī)翼并進(jìn)行破壞性測試，工程師可以構(gòu)建一個 Abaqus 機(jī)翼模型并模擬加載至失效。波音和其他原始設(shè)備制造商（OEM）經(jīng)常運(yùn)行這些模擬以補(bǔ)充或替代某些風(fēng)洞和疲勞測試。該軟件的準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性允許在多核和集群系統(tǒng)上高效求解非常大的模型（數(shù)百萬個元素），這對于真實(shí)的航空航天結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通過在計算機(jī)中迭代設(shè)計，企業(yè)能夠更快滿足認(rèn)證要求并降低成本。

圖2：Abaqus在航天工業(yè)的應(yīng)用

2、汽車行業(yè)用例 在汽車制造業(yè)中，Abaqus 被廣泛用于車輛安全性、耐久性和性能分析。關(guān)鍵應(yīng)用包括：

耐撞性與乘員安全 ：Abaqus/Explicit 廣泛用于模擬車輛碰撞（正面、側(cè)面、后面）及其對車身結(jié)構(gòu)和假人的影響。工程師可以對整個白車身、安全氣囊和安全帶進(jìn)行建模，以驗(yàn)證乘客的安全性。寶馬等汽車制造商已將 Abaqus 作為碰撞仿真的標(biāo)準(zhǔn)平臺。使用 Abaqus 中的精確人體假人模型（如 WorldSID），團(tuán)隊可以在設(shè)計過程中進(jìn)行數(shù)十次虛擬碰撞測試。這些虛擬測試比構(gòu)建和碰撞真實(shí)原型更快、更便宜，從而實(shí)現(xiàn)更快的設(shè)計迭代和更安全的車輛。

耐久性與疲勞分析 ：底盤框架、懸架部件和動力總成外殼在其生命周期內(nèi)會承受數(shù)百萬次載荷循環(huán)。Abaqus 幫助預(yù)測裂紋將在何處萌生和擴(kuò)展。疲勞分析工具可估計部件壽命，因此工程師可以加強(qiáng)部件或更換材料以滿足壽命目標(biāo)而不過度設(shè)計。

熱與熱機(jī)械分析 ：冷卻系統(tǒng)、制動器和發(fā)動機(jī)部件需要仔細(xì)的熱管理。Abaqus 可以模擬制動器和動力總成中的熱傳遞和熱彈性應(yīng)力，以確保部件不會過熱。對于電動汽車和混合動力汽車，電池組的熱行為也與結(jié)構(gòu)載荷一起進(jìn)行分析。

聲學(xué)、NVH 與舒適性 ：對車身面板、發(fā)動機(jī)支架和排氣系統(tǒng)進(jìn)行建模以預(yù)測噪聲、振動和粗糙度（NVH）。Abaqus 幫助隔離導(dǎo)致座艙中嗡嗡聲或轟鳴聲的共振模式。工程師使用聲學(xué)求解器優(yōu)化設(shè)計以獲得更安靜的車輛，滿足嚴(yán)格的 NVH 標(biāo)準(zhǔn)。

制造與成型分析 ：Abaqus 包含用于鈑金成形和沖壓工藝的專用求解器。汽車供應(yīng)商可以模擬車身面板的模具成形和塑料注塑成型以避免皺紋、撕裂和回彈問題。通過在 Abaqus 中優(yōu)化制造工藝，公司可以減少車間中的試錯時間。

材料與輕量化優(yōu)化 ：為了滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和排放目標(biāo)，汽車制造商經(jīng)常在 Abaqus 中使用拓?fù)鋬?yōu)化和復(fù)合材料仿真。下面的幻燈片（來自 SIMULIA 案例研究）展示了典型的涉及動力總成和結(jié)構(gòu)部件的汽車 FEA 工作流程： 圖2：使用 Abaqus 的汽車 FEA 工作流程示例（動力總成和車身部件）——分析包括接觸（墊圈、螺栓）、非線性熱機(jī)械耐久性、NVH（噪聲/振動）等。

圖3：Abaqus在車輛行業(yè)的應(yīng)用

這一廣泛的應(yīng)用集反映了 Abaqus 的優(yōu)勢。實(shí)際上，在頂級 OEM 的車輛開發(fā)周期中，設(shè)計是“以仿真驅(qū)動”的：團(tuán)隊會在早期頻繁運(yùn)行碰撞、耐久性和 NVH 仿真以優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果是物理原型在較晚階段才被制造，且碰撞測試車輛數(shù)量減少。例如，寶馬使用 Abaqus 進(jìn)行所有耐撞性仿真顯著提高了預(yù)測準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)了更輕、更安全的設(shè)計。達(dá)索指出，SIMULIA（Abaqus）在汽車領(lǐng)域有 30 年的歷史，具有廣泛的非線性材料/接觸功能，以捕捉真實(shí)車輛行為。

虛擬測試帶來了巨大的成本和時間節(jié)省。達(dá)索最近的一份新聞稿指出，使用 Abaqus 進(jìn)行的虛擬碰撞測試“比使用昂貴原型的物理碰撞測試快得多，費(fèi)用也低得多”。通過用仿真替代部分真實(shí)測試，OEM 可以將開發(fā)周期縮短數(shù)月。同樣，在排放測試（WLTP）中，監(jiān)管程序現(xiàn)在允許“用虛擬測試代替物理測試”，而 Abaqus 幫助建立了可信的虛擬測試制度?？傮w而言，仿真縮短了周期并減少了廢料：一項研究表明，Abaqus 使復(fù)合材料車輛設(shè)計周期加速了 25–30%，并顯著降低了成本。

3、常見問題與仿真解決方案 航空航天和汽車工程都面臨類似的挑戰(zhàn)：

設(shè)計復(fù)雜性與認(rèn)證 ：新的節(jié)能設(shè)計（復(fù)合材料機(jī)翼、輕量級底盤）推動了材料行為的邊界。沒有仿真，工程師必須制作許多物理原型。Abaqus 允許他們快速測試數(shù)百種“假設(shè)”場景。例如，在構(gòu)建昂貴的復(fù)合材料測試樣本之前，制造商可以使用帶有 Engenuity CZone 模塊的 Abaqus 預(yù)測該復(fù)合材料在沖擊下的壓碎行為。據(jù)賓利汽車公司稱，此類工具讓他們“對預(yù)測耐撞性的信心……相當(dāng)于我們今天評估鋼結(jié)構(gòu)的信心”。

碰撞與安全 ：確保乘員安全至關(guān)重要。物理碰撞測試會摧毀車輛且費(fèi)用高昂，因此用虛擬測試替代是一個巨大的勝利。Abaqus 可以使用包含車輛和假人的詳細(xì)模型模擬高速碰撞。在側(cè)撞分析中，工程師現(xiàn)在使用 Abaqus 的 WorldSID 假人模型在設(shè)計期間執(zhí)行數(shù)十次精確的仿真。每次模擬都會揭示應(yīng)力集中和潛在傷害，指導(dǎo)改進(jìn)。結(jié)果是更安全的車輛以更低的成本開發(fā)——一項分析得出結(jié)論，使用 Abaqus 設(shè)計的復(fù)合材料保險杠盒可以“在初始制造和維修成本更低的情況下提高安全性”。

 熱應(yīng)力與材料失效 ：發(fā)動機(jī)、制動器和電子設(shè)備可能會過熱或冷卻過快，導(dǎo)致熱應(yīng)力。Abaqus 的熱傳遞和熱應(yīng)力求解器幫助識別熱點(diǎn)和變形。對于渦輪葉片，3DEXPERIENCE 平臺上的耦合 CFD/FEA 可以優(yōu)化冷卻通道，減少物理發(fā)動機(jī)測試的需求。在汽車行業(yè)，Abaqus 分析剎車盤加熱可防止反復(fù)停車后出現(xiàn)意外裂縫或翹曲。

振動與噪音 ：機(jī)翼的氣動彈性顫振或汽車的 NVH 問題通常在測試后期才會顯現(xiàn)。Abaqus 的模態(tài)和調(diào)和分析讓工程師能夠及早發(fā)現(xiàn)這些問題。通過模擬振動和聲學(xué)，公司可以最大限度地減少代價高昂的后期修復(fù)。例如，在航空航天領(lǐng)域推進(jìn)數(shù)字噪聲認(rèn)證意味著依靠 Abaqus 在構(gòu)建原型之前模擬整體飛機(jī)噪聲。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ：兩個領(lǐng)域都力求在滿足強(qiáng)度要求的同時盡可能減輕部件重量。Abaqus 集成了拓?fù)鋬?yōu)化工具，建議去除材料的位置。在汽車底盤設(shè)計中，這些工具可以幫助減少公斤數(shù)而不影響碰撞性能。在航空航天領(lǐng)域，它們優(yōu)化加強(qiáng)筋和支架以達(dá)到最小重量。每一公斤的節(jié)省都能降低燃油成本和排放，從而在整個車輛或飛機(jī)生命周期內(nèi)帶來投資回報。 效率提升與成本降低 通過利用 Abaqus 仿真，公司可以獲得顯著的效率和成本效益。虛擬測試減少了所需物理原型和物理測試的數(shù)量。達(dá)索報告稱，在設(shè)計早期使用 Abaqus “有助于縮短開發(fā)時間，降低物理測試成本，并降低無法滿足認(rèn)證要求的風(fēng)險”。在實(shí)際操作中，一次高保真度的 Abaqus 仿真可以替代數(shù)十次傳統(tǒng)測試。例如，在模型上運(yùn)行一百次不同的碰撞仿真可以確定最安全的設(shè)計，而無需實(shí)際碰撞車輛。

圖4：物理碰撞測試（卡車撞擊障礙物）

——Abaqus 允許類似的安全案例在虛擬環(huán)境中研究。虛擬碰撞測試“比破壞性的真實(shí)測試快得多，費(fèi)用也低得多”。

總之，Abaqus 使移動行業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)“以仿真驅(qū)動的設(shè)計工作流程”，推動發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新和優(yōu)化。多學(xué)科有限元分析讓工程師能夠在項目早期虛擬探索權(quán)衡（重量 vs 強(qiáng)度，成本 vs 安全）。這導(dǎo)致了更快的產(chǎn)品開發(fā)，并首次嘗試就滿足安全和性能目標(biāo)的可能性更高。通過在屏幕上發(fā)現(xiàn)問題而不是在測試實(shí)驗(yàn)室中，Abaqus 幫助航空航天和汽車公司更快、更便宜地將更好的設(shè)計推向市場。