本發(fā)明涉及到一種無限單元邊界建模方法，具體涉及一種基于inp文件的abaqus三維無限元邊界快速建模方法。

背景技術(shù)：

計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，為工程分析提供了強(qiáng)有力的工具，從而為使用數(shù)值模擬求解許多大型工程實(shí)際問題成為可能。有限單元法作為最常用的數(shù)值模擬手段，廣泛用于巖土，結(jié)構(gòu)，地震和水利等工程領(lǐng)域。采用有限元方法的面臨的問題是如何采用“有限”的模型模擬實(shí)際“無限”區(qū)域，常用的解決辦法是根據(jù)圣維南原理忽略“無限”區(qū)域邊界的影響，利用截?cái)噙吔缛　白銐虼蟆钡哪Ｐ统叽邕M(jìn)行幾何尺寸的有限元網(wǎng)格劃分，而在人為邊界上施加相應(yīng)的近似約束邊界條件。實(shí)際計(jì)算時(shí)，這種“足夠大”的模型尺寸鑒定困難，區(qū)域較小時(shí)計(jì)算成本低，但結(jié)果精度差；區(qū)域較大時(shí)滿足一定精度要求，但是計(jì)算成本較高。特別是對于波動計(jì)算問題，常常由于網(wǎng)格邊界上波的反射和散射造成有限元計(jì)算結(jié)果的失真。

通過引入邊界單元建立合理的人工邊界，可以盡量減少人工截?cái)鄬?dǎo)致的有限元邊界對地基中各種波動在邊界上的反射，從而極大的減少單元的數(shù)量，提高計(jì)算效率。目前常見的人工邊界如黏性邊界、旁軸近似邊界、透射邊界、黏彈性邊界、無限元邊界等。

作為模擬無窮遠(yuǎn)區(qū)域一種方式，無限元的出現(xiàn)為克服有限元計(jì)算方法的缺陷，解決無限域邊界模擬的問題提供了重要途徑。無限元在概念上屬于有限元的延伸，其主要思想是通過幾何上無限大的“有限”單元，再對其在物理上進(jìn)行界定模擬無限域物理場。又由于無限元必須反映近場的邊界特征或與模擬近場的有限元結(jié)合，它實(shí)際上只在一個(gè)方向趨于無限，因而又被稱為半無限元。從廣義有限元概念上講無限元仍然屬于有限元的范疇?？傊?，無限元為克服有限元在解決無界域問題時(shí)而提出，常常與常規(guī)有限元同時(shí)用來解決更復(fù)雜的無界問題，是對有限元方法的一種補(bǔ)充，因而它與有限元方法的“協(xié)調(diào)”與生俱在，比邊界元等其它求解無界域問題的數(shù)值方法更具有優(yōu)勢.

大量求解無限域問題的經(jīng)驗(yàn)表明：有限元與無限元耦合模型在求解工程實(shí)際問題方面有著廣泛的實(shí)用性。特別是在內(nèi)源波動問題的研究，諸如列車振動和爆破等，以及外源振動的地震動力學(xué)問題方面等，無限元在模擬和近似模擬無限域問題方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。此外有限元和無限元耦合模型也廣泛用于電磁學(xué)，熱力學(xué)以及聲學(xué)等領(lǐng)域，并取得了良好的模擬效果。大型有限元計(jì)算軟件abaqus和ansys中均提高了多種無限單元類型，模擬有限元計(jì)算的無限域問題。其中abaqus以其強(qiáng)大的動力非線性計(jì)算能力廣泛用于巖土工程領(lǐng)域的動力計(jì)算。

abaqus提供了一階和二階無限單元，包括平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和三維無限元單元，這是基于zienkiewicz等靜力計(jì)算分析，以及l(fā)ysmer等動力響應(yīng)分析而開發(fā)的，可用于靜力無限域問題求解，以及作為無限元動力人工邊界求解域內(nèi)局部源振動問題，即對從有限域穿過人工邊界進(jìn)入無限域的外行波的模擬有效，而對外源入射問題通過abaqus無限元基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)也成功解決了地震動力學(xué)問題。abaqus無限元動力人工邊界常見的三維無限單元包括cin3d8，cin3d12r^(s)和cin3d18r(s)等，這種單元可以與標(biāo)準(zhǔn)有限單元結(jié)合，用有限元模擬近場區(qū)域，而用無限元模擬遠(yuǎn)場區(qū)域。

盡管abaqus邊界無限單元為靜力無限元和動力人工邊界模擬提供了便利。但是由于無限單元中節(jié)點(diǎn)編號要保證單元的第一個(gè)面為有限元和無限元的交接面，以保證無限元單元的方向性，單元延伸方向是從近場到遠(yuǎn)場區(qū)。abaqus中不能直接定義無限單元，只能通過建模時(shí)預(yù)設(shè)建出無限元邊界部分，并采用其他單元類型以區(qū)分，導(dǎo)出到abaqus輸入文件(.inp)，然后對比模型手動修改abaqus的輸入文件(.inp)的無限元邊界的單元節(jié)點(diǎn)順序。特別是對于三維邊界無限單元，修改過程繁瑣，尤其是分析任務(wù)量大時(shí)，會耗費(fèi)更多的人力和時(shí)間，并且經(jīng)常會出現(xiàn)手動操作失誤而導(dǎo)致網(wǎng)格操作錯(cuò)誤的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于inp文件的abaqus三維無限元邊界快速建模方法，克服abaqus現(xiàn)有邊界無限元模型建模過程繁瑣且建模效率低，考慮到abaqus無限單元特點(diǎn)及abaqus的輸入inp文件模型定義的特點(diǎn)，操作簡單，自動化程度高，能夠在較短時(shí)間內(nèi)生成無限單元網(wǎng)格，極大地提高了abaqus的建模效率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

根據(jù)abaqus三維無限單元(3dinfiniteelement)中單元節(jié)點(diǎn)定義規(guī)則，利用abaqus輸入文件(.inp)的單元和節(jié)點(diǎn)定義方法，并借助于python實(shí)現(xiàn)輸出abaqus無限單元定義的數(shù)據(jù)行，按照inp文件的語法規(guī)則完成模型定義的輸入文件，導(dǎo)入abaqus/cae生成邊界無限單元。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

建立有限元模型并創(chuàng)建指定part邊界節(jié)點(diǎn)集作為無限元的近場節(jié)點(diǎn)集，導(dǎo)出該abaqus輸入文件(job-1.inp)；

修改inp文件利用關(guān)鍵字(*ncopy)定義無限單元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，并另存為新的inp文件(job-2.inp)；

abaqus/cae導(dǎo)入修改后inp文件(job-2.inp)，查看生成的無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)并導(dǎo)出新inp文件(job-3.inp)；

inp文件(job-3.inp)指定位置插入關(guān)鍵字行(*element)定義無限單元，并另存為job-4.inp；

python編程構(gòu)建無限元邊界單元定義數(shù)據(jù)行并輸入到abaqus的輸入文件(job-4.inp)或者指定的inp文件；

通過abaqus模型導(dǎo)入的方式打開上述inp文件(job-4.inp)，abaqus指定part三維無限單元邊界自動生成完畢。

進(jìn)一步的，建立有限元模型中無限元近場節(jié)點(diǎn)集的并導(dǎo)出abaqus輸入文件(job-1.inp)具體步驟包括：

建立abaqus/cae三維有限元模型，根據(jù)研究問題在part模塊下利用set工具建立指定part的邊界面上的節(jié)點(diǎn)集作為對應(yīng)邊界無限元的近場節(jié)點(diǎn)集，即無限單元第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)；

在job模塊下為上述問題的模型建立分析任務(wù)job-1，并在jobmanager上通過writeinput導(dǎo)出該abaqus輸入文件(job-1.inp)。

修改上述inp文件利用關(guān)鍵字(*ncopy)生成無限單元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，并另存為新的inp文件(job-2.inp)主要內(nèi)容包括：

修改上述inp文件job-1.inp，根據(jù)不同的邊界區(qū)域在指定part定義行內(nèi)插入多行節(jié)點(diǎn)定義的關(guān)鍵字(*ncopy)；

利用關(guān)鍵字(*ncopy)將近場節(jié)點(diǎn)復(fù)制偏移生成不同區(qū)域邊界無限元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)；

將上述修改后的inp文件另存為新的inp文件(job-2.inp)；

abaqus/cae導(dǎo)入修改后inp文件job-2.inp，查看生成的無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)并導(dǎo)出新inp文件job-3.inp包括：

通過abaqus/cae的圖形用戶界面gui以file→import→model的方式導(dǎo)入修改后的inp文件job-2.inp，無限元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)生成，但暫時(shí)無法顯示；

在part模塊條件下，通過view→partdisplayoptions→mesh下點(diǎn)選shownodelabels顯示單元節(jié)點(diǎn)號，查看生成的不同區(qū)域無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)；

將所述導(dǎo)入模型在job模塊內(nèi)，新建job-3任務(wù)，通過jobmanager上的writeinput導(dǎo)出新的inp文件job-3.inp；

inp文件job-3.inp指定位置插入關(guān)鍵字行*element定義無限單元，并另存為job-4.inp包括：

編輯inp文件job-3.inp，在指定行插入關(guān)鍵字行*element進(jìn)行無限單元定義；

插入*element關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行后的inp文件保存為新的inp文件job-4.inp。

進(jìn)一步的，利用關(guān)鍵字(*ncopy)將近場節(jié)點(diǎn)復(fù)制偏移生成不同區(qū)域邊界無限元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)主要內(nèi)容包括：

節(jié)點(diǎn)定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行必須按照abaqus的inp文件的語法規(guī)則編輯；

通過*ncopy關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行定義新節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行必須按照abaqus的inp文件的語法規(guī)則編輯主要內(nèi)容是指：

1)遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)定義關(guān)鍵字行(keywordline)為：

*ncopy,changenumber＝n,oldset＝near_field_nodesetname,newset＝far_field_nodesetname,shift

2)遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)定義數(shù)據(jù)行(dataline)為：

shifting-x,shifting-y,shifting-z

上述節(jié)點(diǎn)定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行插入位置必須位于無限元邊界所在part的定義結(jié)束行*endpart關(guān)鍵字之前，近場節(jié)點(diǎn)集合定義數(shù)據(jù)行之后。

通過*ncopy關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行定義新節(jié)點(diǎn)主要是指：

通過近場節(jié)點(diǎn)復(fù)制偏移一定距離，定義無限元邊界遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號在原有節(jié)點(diǎn)號基礎(chǔ)上增加整數(shù)值n；

實(shí)現(xiàn)了同一無限單元延無限元方向上近場節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，且單元號相差n；

數(shù)據(jù)行定義了新創(chuàng)建的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)在原有近場節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上的坐標(biāo)偏移值。

進(jìn)一步的，編輯inp文件(job-3.inp)，在指定位置插入關(guān)鍵字(*element)行進(jìn)行無限單元定義詳細(xì)內(nèi)容是指：

通過*element關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行定義新無限單元；

無限單元定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行必須按照abaqus的inp文件的語法規(guī)則編輯；

上述單元定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行插入位置必須位于無限元邊界所在part的定義結(jié)束行*endpart關(guān)鍵字之前，遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)集合定義數(shù)據(jù)行和有限元單元定義數(shù)據(jù)行之后。

進(jìn)一步的，通過*element關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行定義邊界無限單元具體內(nèi)容包括：

abaqus的單元和節(jié)點(diǎn)的定義主要是通過其前處理器abaqus/cae，創(chuàng)建幾何形狀并劃分單元網(wǎng)格，形成單元節(jié)點(diǎn)，這里的abaqus無限單元在inp文件中定義是通過手動編輯inp文件，插入*element關(guān)鍵字，給無限單元分配單元號，并通過指定單元節(jié)點(diǎn)號定義單元，同時(shí)可以給邊界無限元分組。

考慮到在裝配件(assembly)上分配的單元號不唯一，需要結(jié)合部件(part)區(qū)分，而在部件上分配的單元號唯一，所以邊界無限元的定義只在指定的part定義；

主要通過*element關(guān)鍵字定義無限單元，指定單元類型為cin3d8，并建立相應(yīng)邊界區(qū)域上無限邊界元集合；

無限單元定義的數(shù)據(jù)行是指定單元號和單元組成的節(jié)點(diǎn)號；

abaqus無限單元定義的數(shù)據(jù)行也可以從其他包含單元定義數(shù)據(jù)的inp文件中讀??；

上述數(shù)據(jù)行單元定義的節(jié)點(diǎn)號排列順序滿足abaqus幫助文檔中三維無限單元(cin3d8)定義的節(jié)點(diǎn)次序。

無限單元定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行必須按照abaqus的inp文件的語法規(guī)則編輯具體是指：

1)無限元邊界無限單元定義的關(guān)鍵字行(keywordline)有兩種方式，分別為：

①*element,type＝cin3d8,elset＝infinite_element_setname

②*element,type＝cin3d8,elset＝infinite_element_setname,input＝filename.inp

2)相應(yīng)的無限單元定義數(shù)據(jù)行(dataline)可以由兩種方式，分別與上述關(guān)鍵字行對應(yīng)：

①無限單元定義的數(shù)據(jù)行直接插入對應(yīng)區(qū)域無限元定義關(guān)鍵字所在位置的下一行，主要包括無限單元號和組成節(jié)點(diǎn)號，即：

infinite_element_num,nodep1,nodep2,nodep3,nodep4,nodep5,nodep6,nodep7,nodep8

②無限單元定義的數(shù)據(jù)行由filename.inp給定，該文件內(nèi)容只是包含預(yù)先完成輸入的當(dāng)前邊界區(qū)域無限單元定義的數(shù)據(jù)行—包括無限單元號和組成節(jié)點(diǎn)號，即：

infinite_element_num,nodep1,nodep2,nodep3,nodep4,nodep5,nodep6,nodep7,nodep8。

進(jìn)一步的，無限單元定義的數(shù)據(jù)行infinite_element_num,nodep1,nodep2,nodep3,nodep4,nodep5,nodep6,nodep7,nodep8相關(guān)約定包括：

根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的遠(yuǎn)場四個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號比對應(yīng)沿?zé)o限方向單元邊上近場節(jié)點(diǎn)(有限元邊界上節(jié)點(diǎn))的節(jié)點(diǎn)號值大n，即：

根據(jù)無限單元定義規(guī)則，無限單元第一面內(nèi)近場四個(gè)節(jié)點(diǎn)nodep1,nodep2,nodep3和nodep4，要滿足從無限單元遠(yuǎn)場向近場觀測時(shí)近場四個(gè)節(jié)點(diǎn)為逆時(shí)針方向的順序排列；

無限單元定義指定的單元號是由當(dāng)前part上有限單元個(gè)數(shù)，已定義邊界區(qū)域無限單元個(gè)數(shù)以及區(qū)域內(nèi)無限單元定義的次序決定。

進(jìn)一步的，利用python編程構(gòu)建無限元邊界單元定義數(shù)據(jù)行并輸入到abaqus的輸入文件(job-4.inp)或者指定的inp文件具體包括以下步驟：

1)利用python編程讀取abaqus的輸入文件(job-4.inp)中的節(jié)點(diǎn)號及相應(yīng)坐標(biāo)，單元號及組成節(jié)點(diǎn)號，并存儲在指定的列表中；

2)利用python編程讀取abaqus的輸入文件(job-4.inp)中無限單元定義的關(guān)鍵字行號并存儲在指定的變量中，或者讀取無限單元定義數(shù)據(jù)行寫入的input參數(shù)—abaqus讀取的inp文件filename.inp；

3)根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)特點(diǎn)遍歷上述有限元模型的節(jié)點(diǎn)列表，根據(jù)各邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值特點(diǎn)查找不同邊界上節(jié)點(diǎn)，并添加到指定邊界節(jié)點(diǎn)列表；

4)通過遍歷上述有限元模型的單元列表，依據(jù)單元組成節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與邊界上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)特點(diǎn)的關(guān)系，查找邊界單元，并添加到指定的邊界單元列表；

5)遍歷指定邊界節(jié)點(diǎn)列表，并取出其中任意四個(gè)節(jié)點(diǎn)a,b,c和d，判斷這四個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為邊界無限單元近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)；

6)若a,b,c和d四個(gè)節(jié)點(diǎn)是邊界無限單元近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)向量的數(shù)量積求向量夾角關(guān)系確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對位置關(guān)系；

7)利用向量間的向量積確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針方向的排列順序?yàn)閝1,q2,q3,q4；

8)無限單元序號由有限模型中指定part單元個(gè)數(shù)a，已定義邊界無限單元個(gè)數(shù)為b以及該區(qū)域內(nèi)無限單元定義次序c決定，則當(dāng)前無限單元號為q＝a+b+c；

9)給出指定邊界單元無限元定義的數(shù)據(jù)行輸出：

q,q1,q2,q3,q4,q1+n,q2+n,q3+n,q4+n

其中：q為無限元單元號，q1,q2,q3,q4為近場四個(gè)節(jié)點(diǎn)，q1+n,q2+n,q3+n,q4+n為遠(yuǎn)場四個(gè)節(jié)點(diǎn)；

10)兩種無限單元定義數(shù)據(jù)行輸出方式，前者主要是針對無限單元定義采用關(guān)鍵字行①和數(shù)據(jù)行①，即單元定義數(shù)據(jù)行直接插入在job-4.inp中關(guān)鍵字定義位置的下一行并保存；

后者主要是針對無限單元定義采用關(guān)鍵字行②和數(shù)據(jù)行②，將單元定義的數(shù)據(jù)行寫入無限單元定義行中的input參數(shù)filename.inp文件中，abaqus在導(dǎo)入模型時(shí)會自動讀取filename.inp文件中的數(shù)據(jù)行，生成無限單元。

進(jìn)一步的，遍歷指定邊界節(jié)點(diǎn)列表，并取出其中任意四個(gè)節(jié)點(diǎn)，判斷該節(jié)點(diǎn)是否為無限元模型近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)具體步驟為：

利用python的成員測試功能，若邊界節(jié)點(diǎn)列表上取出的四個(gè)節(jié)點(diǎn)為邊界單元組成節(jié)點(diǎn)的其中四個(gè)節(jié)點(diǎn)，則認(rèn)為這四個(gè)節(jié)點(diǎn)為邊界無限單元第一個(gè)面上的四個(gè)近場節(jié)點(diǎn)。

若a,b,c和d四個(gè)節(jié)點(diǎn)是邊界無限單元近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)向量數(shù)量積求兩個(gè)向量夾角確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對位置關(guān)系，具體步驟包括：

以點(diǎn)a作為四邊形的第一個(gè)點(diǎn)，利用向量數(shù)量積分別計(jì)算∠bac,∠bad和∠cad的大小并求和:

令sum＝∠bac+∠bad+∠cad：

1)若sum＝2∠bac，則點(diǎn)a和點(diǎn)d，點(diǎn)b和點(diǎn)c互為對角節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)逆時(shí)針方向順序?yàn)閍,b,d,c或者a,c,d,b；

2)若sum＝2∠bad，則點(diǎn)a和點(diǎn)c，點(diǎn)b和點(diǎn)d互為對角節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)逆時(shí)針方向順序?yàn)閍,b,c,d或者a,d,c,b；

3)若sum＝2∠cad，則點(diǎn)a和點(diǎn)b，點(diǎn)c和點(diǎn)d互為對角節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)逆時(shí)針方向順序?yàn)閍,d,b,c或者a,c,b,d。

利用向量間的向量積確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針方向的排列順序具體步驟包括：

確定邊界無限單元第一面內(nèi)的四個(gè)近場節(jié)點(diǎn)p1,p2,p3,p4相對位置關(guān)系后，通過四個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意三個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)首尾相接形成兩個(gè)向量，假設(shè)p1與p3,p2與p4互為角點(diǎn)，以p1點(diǎn)為起始點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)必為p2和p4，則上述四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針順序?yàn)閜1,p2,p3,p4或者p1,p4,p3,p2，計(jì)算向量與的向量積

若與當(dāng)前邊界面上點(diǎn)p1的法向量夾角為銳角時(shí)，即：

則點(diǎn)p1,p2,p3為逆時(shí)針方向排列，四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針排列順序?yàn)閜1,p2,p3,p4；

若與當(dāng)前邊界面上點(diǎn)p1的法向量夾角為鈍角時(shí)，即：

則點(diǎn)p1,p2,p3為順時(shí)針方向排列，四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針排列順序?yàn)閜1,p4,p3,p2。

進(jìn)一步的，通過abaqus模型導(dǎo)入的方式打開上述inp文件(job-4.inp)，abaqus指定part三維無限單元邊界自動生成完畢具體步驟包括：

打開abaqus/cae，通過file菜單下的模型導(dǎo)入方式(import→model)，打開目標(biāo)文件夾下的inp文件(job-4.inp),完成邊界無限單元的建模過程，可在指定part下查看無限元建模效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本方法主要是根據(jù)abaqus三維無限單元中單元節(jié)點(diǎn)定義規(guī)則，利用abaqus輸入文件(.inp)的單元和節(jié)點(diǎn)定義方法，并輔以一定的python編程完成無限單元定義數(shù)據(jù)行的自動輸出，按照inp文件的語法規(guī)則完成模型定義的輸入文件，導(dǎo)入abaqus/cae生成邊界無限單元。本發(fā)明實(shí)施方案操作簡單，避免了傳統(tǒng)方法中的手動修改inp文件的繁瑣過程，自動化程度高，能夠在較短時(shí)間內(nèi)生成無限單元網(wǎng)格，極大地提高了abaqus的建模效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明技術(shù)方案流程圖。

圖2是abaqus三維有限元模型。

圖3是利用*ncopy生成的無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)。

圖4是生成無限單元效果圖。

圖5是模型底面邊界區(qū)域無限單元。

圖6是模型左側(cè)邊界區(qū)域無限單元。

圖7是模型右側(cè)邊界區(qū)域無限單元。

圖8是模型后端邊界區(qū)域無限單元。

圖9是模型前端邊界區(qū)域無限單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中基于inp文件的abaqus三維無限元邊界快速建模方法包括：

基于三維單元網(wǎng)格劃分完成的三維模型，并且所述三維模型的后面中心點(diǎn)位于坐標(biāo)系的原點(diǎn)上，坐標(biāo)系的x軸，y軸和z軸為其對稱軸；

101.建立有限元模型并創(chuàng)建指定part邊界節(jié)點(diǎn)集作為無限元的近場節(jié)點(diǎn)集，導(dǎo)出該abaqus輸入文件(job-1.inp)；

建立abaqus/cae三維有限元模型如圖2所示，根據(jù)研究問題在part模塊下利用set工具建立指定part的邊界面上的節(jié)點(diǎn)集作為對應(yīng)邊界無限元的近場節(jié)點(diǎn)(無限單元第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn))集，不同邊界區(qū)域的節(jié)點(diǎn)集情況如表1所示；在job模塊下為上述問題的模型建立分析任務(wù)job-1，并在jobmanager上通過writeinput導(dǎo)出該abaqus輸入文件(job-1.inp)。

102.修改inp文件利用關(guān)鍵字(*ncopy)定義無限單元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，并另存為新的inp文件(job-2.inp)；

修改上述inp文件job-1.inp，根據(jù)不同的邊界區(qū)域在指定part定義行內(nèi)插入多行節(jié)點(diǎn)定義的關(guān)鍵字(*ncopy)，命令如下所示

*ncopy,changenumber＝2000,oldset＝node-y1,newset＝node-y2,shift

0.0,-40.0,0.0

*ncopy,changenumber＝4000,oldset＝node-x1,newset＝node-x3,shift

-40.0,0.0,0.0

*ncopy,changenumber＝6000,oldset＝node-x2,newset＝node-x4,shift

40.0,0.0,0.0

*ncopy,changenumber＝8000,oldset＝node-z1,newset＝node-z3,shift

0.0,0.0,40.0

*ncopy,changenumber＝10000,oldset＝node-z2,newset＝node-z4,shift

0.0,0.0,-40.0

*ncopy,changenumber＝12000,oldset＝node-x1z1,newset＝node-x3z3,shift

-40.0,0.0,40.0

*ncopy,changenumber＝14000,oldset＝node-x1z2,newset＝node-x3z4,shift

-40.0,0.0,-40.0

*ncopy,changenumber＝16000,oldset＝node-x2z1,newset＝node-x4z3,shift

40.0,0.0,40.0

*ncopy,changenumber＝18000,oldset＝node-x2z2,newset＝node-x4z4,shift

40.0,0.0,-40.0

利用關(guān)鍵字(*ncopy)將近場節(jié)點(diǎn)復(fù)制偏移指定距離生成不同區(qū)域邊界無限元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)集如表2，將上述修改后的inp文件另存為新的inp文件(job-2.inp)。

通過近場節(jié)點(diǎn)復(fù)制偏移一定距離，定義無限元邊界遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號在原有節(jié)點(diǎn)號基礎(chǔ)上增加整數(shù)值n，實(shí)現(xiàn)同一無限單元延無限元方向上近場節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，且單元號相差n，n值的選取要結(jié)合模型中節(jié)點(diǎn)總數(shù)選取，確保原有限元節(jié)點(diǎn)號與新生成節(jié)點(diǎn)號不重復(fù)。數(shù)據(jù)行定義了新創(chuàng)建的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)在原有近場節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上的坐標(biāo)偏移值。

表1不同邊界區(qū)域無限元近場和遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)集

103.abaqus/cae導(dǎo)入修改后inp文件(job-2.inp)，查看生成的無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)并導(dǎo)出新inp文件(job-3.inp)；

通過abaqus/cae的圖形用戶界面gui以file→import→model的方式導(dǎo)入修改后的inp文件(job-2.inp)，無限元的遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)生成，在part模塊條件下，通過view→partdisplayoptions→mesh下點(diǎn)選shownodelabels顯示單元節(jié)點(diǎn)號，可以查看生成的不同區(qū)域無限元遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，將上述導(dǎo)入模型在job模塊內(nèi)，新建job-3任務(wù)，通過jobmanager上的writeinput導(dǎo)出新的inp文件(job-3.inp)。

104.inp文件(job-3.inp)指定位置插入關(guān)鍵字行(*element)定義無限單元，并另存為job-4.inp；

按照abaqus的inp文件的語法規(guī)則編輯inp文件(job-3.inp)，通過*element關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行定義新單元，且上述單元定義的關(guān)鍵字行和數(shù)據(jù)行插入位置必須位于無限元邊界所在part的定義結(jié)束行*endpart關(guān)鍵字之前，遠(yuǎn)場節(jié)點(diǎn)集合定義數(shù)據(jù)行和有限元單元定義數(shù)據(jù)行之后。

abaqus的inp文件主要通過*element關(guān)鍵字定義無限單元，指定單元類型為cin3d8，并建立相應(yīng)邊界區(qū)域上無限邊界元集合；其數(shù)據(jù)行是指定單元號和單元組成的節(jié)點(diǎn)號，對于三維無限單元abaqus幫助文檔給出了其定義規(guī)則，該數(shù)據(jù)行也可以從其他包含單元定義數(shù)據(jù)的inp文件中讀取。

上述數(shù)據(jù)行單元定義的節(jié)點(diǎn)號排列順序滿足abaqus幫助文檔中三維無限單元(cin3d8)定義的節(jié)點(diǎn)次序。

abaqus的inp文件中利用*element進(jìn)行無限單元定義兩種方式：

1)無限單元定義的數(shù)據(jù)行直接插入對應(yīng)區(qū)域無限元定義關(guān)鍵字所在位置的下一行，命令如下所示；

*element,type＝cin3d8,elset＝bottomy

*element,type＝cin3d8,elset＝leftx

*element,type＝cin3d8,elset＝rightx

*element,type＝cin3d8,elset＝frontz

*element,type＝cin3d8,elset＝backz

*element,type＝cin3d8,elset＝leftfrontcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝leftbackcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝rightfrontcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝rightbackcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝frontleftcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝frontrightcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝backleftcorner

*element,type＝cin3d8,elset＝backrightcorner

2)無限單元定義的數(shù)據(jù)行由外部文件filename.inp給定，該文件內(nèi)容只是包含預(yù)先完成輸入的當(dāng)前邊界區(qū)域無限單元定義的數(shù)據(jù)行—包括無限單元號和組成節(jié)點(diǎn)號，命令如下所示。

*element,type＝cin3d8,elset＝bottomy,input＝bottomy_element1.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝leftx,input＝leftx_element1.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝rightx,input＝rightx_element1.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝frontz,input＝frontz_element1.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝backz,input＝backz_element1.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝leftfrontcorner,input＝leftfrontcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝leftbackcorner,input＝leftbackcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝rightfrontcorner,input＝rightfrontcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝rightbackcorner,input＝rightbackcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝frontleftcorner,input＝frontleftcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝frontrightcorner,input＝frontrightcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝backleftcorner,input＝backleftcorner_element.inp

*element,type＝cin3d8,elset＝backrightcorner,input＝backrightcorner_element.inp

105.python編程構(gòu)建無限元邊界單元定義數(shù)據(jù)行并輸入到abaqus的輸入文件(job-4.inp)或者指定的inp文件，其具體過程為：

1)利用python編程讀取abaqus的輸入文件(job-4.inp)中的節(jié)點(diǎn)號及相應(yīng)坐標(biāo)，單元號及組成節(jié)點(diǎn)號，并存儲在指定的列表中；

2)利用python編程讀取abaqus的輸入文件(job-4.inp)中無限單元定義的關(guān)鍵字行號并存儲在指定的變量中，或者讀取無限單元定義數(shù)據(jù)行寫入的input參數(shù)filename.inp；

3)根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)特點(diǎn)遍歷上述有限元模型的節(jié)點(diǎn)列表，根據(jù)各邊界節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值特點(diǎn)查找不同邊界上節(jié)點(diǎn)，并添加到指定邊界節(jié)點(diǎn)列表；

4)通過遍歷上述有限元模型的單元列表，依據(jù)單元組成節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與邊界上節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)特點(diǎn)的關(guān)系，查找邊界單元，并添加到指定的邊界單元列表；

5)遍歷指定邊界節(jié)點(diǎn)列表，并取出其中任意四個(gè)節(jié)點(diǎn)a,b,c和d，判斷這四個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為邊界無限單元近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)；

6)若a,b,c和d四個(gè)節(jié)點(diǎn)是邊界無限單元近場第一個(gè)面上的四個(gè)節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)向量的數(shù)量積求向量夾角關(guān)系確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對位置關(guān)系；

7)利用向量間的向量積確定四個(gè)節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針方向的排列順序?yàn)閝1,q2,q3,q4；

8)無限單元序號由有限模型中指定part單元個(gè)數(shù)a，已定義邊界無限單元個(gè)數(shù)為b以及該區(qū)域內(nèi)無限單元定義次序c決定，則當(dāng)前無限單元號為q＝a+b+c；

9)給出指定邊界單元無限元定義的數(shù)據(jù)行輸出：

q,q1,q2,q3,q4,q1+n,q2+n,q3+n,q4+n

其中：q為無限元單元號，q1,q2,q3,q4為近場四個(gè)節(jié)點(diǎn)，q1+n,q2+n,q3+n,q4+n為遠(yuǎn)場四個(gè)節(jié)點(diǎn)；

10)兩種無限單元定義數(shù)據(jù)行輸出方式，前者主要是針對無限單元定義采用關(guān)鍵字行①和數(shù)據(jù)行①，即單元定義數(shù)據(jù)行直接插入在job-4.inp中關(guān)鍵字定義位置的下一行并保存；

后者主要是針對無限單元定義采用關(guān)鍵字行②和數(shù)據(jù)行②，將單元定義的數(shù)據(jù)行寫入無限單元定義行中的input參數(shù)filename.inp文件中，abaqus在導(dǎo)入模型時(shí)會自動讀取filename.inp文件中的數(shù)據(jù)行生成無限單元。

106.通過abaqus模型導(dǎo)入的方式打開上述inp文件(job-4.inp)，abaqus指定part三維無限單元邊界自動生成完畢。

打開abaqus/cae，通過file菜單下的模型導(dǎo)入方式(import→model)，打開目標(biāo)文件夾下的inp文件(job-4.inp),完成邊界無限單元的建模過程，可在指定part下查看無限元建模效果，如圖4所示。圖5-圖9為不同邊界區(qū)域的生成的無限單元圖。