打水漂的力学奥秘：Abaqus仿真实战教学

导读：

我国智能制造正在向高质量发展的关键阶段，工业软件是其中的核心要素和重要支撑。其中CAE软件是工业软件中含金量最高的部分，对智能制造的推进起着关键作用。

2021年，全球CAE软件市场规模为89.42亿美元，ANSYS（美）、MathWorks（美）、Siemens（德）、Dassault Systemes（法）、ESI Group（法）等12大欧美厂商占据95%以上全球市场。在全球CAE行业市场规模来看，处于稳定增长状态。

根据Grand View Research的数据，2027年全球CAE市场规模将达到149亿美元，对应2019—2027年CAGR为9.3%。

一、仿真到底仿什么

仿真到底仿什么？什么才叫仿真？

其实这个问题由来已久。仿真源于英语simulation，再追溯可追溯到similar（相似）。“仿真”一词最早出现于20世纪50年代，并与计算机一词共同使用，当时被称为计算机仿真。

90年代初，美国国防部将“计算机仿真”更新为“建模与仿真”来强调建模的重要性。虽然现状仿真的内涵已经远远超过当时，但是我们仍然可以通过一个生活中的案例来理解仿真。

2013年，一个名字叫kurt Steiner的美国人将一个小游戏玩到了极致，这个小游戏就是打水漂，当时他扔出的石头在水面足足弹跳了88下。

当任何一个小游戏发展到竞技的时候，都离不开科学的分析。经过分析，石头形状、初速度、入射角度等都有影响，但是其中入射角度的影响无疑最大。2005年发行在另一个权威学术期刊《物理评论快报（PRL）》上的一篇文章，则靠着建模给出了更直观的理论数据支持，20度这个“打水漂黄金角度”的答案。

在2021年，作者在工作之余，也突然想起来这个有趣的问题，应用Abaqus的CEL分析进行了计算，是想告诉大家，当你想定性或定量分析问题的时候，除了传统的试验方法之外，仿真是一个很好的工具。

二、Abaqus能算什么

Abaqus开发于上世纪70年代，逐步发展为包含隐式分析、显式分析的大型通用有限元分析软件。在被法国达索收购后，与Fesafe、Tosca、Isight组成SIMULIA套件。

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。

ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。

三、 如何理解Abaqus的仿真流程

作为一个工程软件，Abaqus有一定的门槛，不过相对其他CAE软件，Abaqus上手难度相对较低。首先正确理解abaqus的分析流程非常有必要。

Abaqus/CAE 经过十几年的发展，仿真流程导向已经日趋完善。在使用 Abaqus 解决问题时，工程师要站在工程的角度想下应该如何建立合理的力学模型。

主要思路为：先建立部件模型，然后给部件赋予相应的材料属性，然后将所有部件装配成一个装配体，接下来确定要分析类型，不同的分析需要不同的相互作用，不同的载荷。

需要注意到的是，当定义完这些内容，还没有涉及任何有限元离散的概念，整个仿真建模任务已经完成了一大半，这就是 Abaqus 这类工程软件的较为先进的问题处理分析流程，将非常复杂的数学问题以非常易懂的流程化去表达，缩减设计人员与仿真工程师的技术壁垒。

真正的有限元离散出现在分析流程的最后两步，提交任务前的最后一步是网格划分，才开始进行有限元离散。

Abaqus 的仿真流程使使用者可以更快地由设计工程师转变为 CAE 工程师。每一个步骤都有对应的分析模块对应，清晰明了。

三、 Abaqus的成长之路

Abaqus是解决问题的强有力工具，但是毕竟它是基于各种算法和理论开发的，在使用的过程中会遇到各种的问题，如何由菜鸟变为达人，不是一蹴而就的。关于Abaqus的学习，这里提供一些建议。

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