2006年 工 程 图 学 学 报2006第5期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.5有限元分析系统ABAQUS中的特征技术张玉峰1，朱以文1，丁宇明2（1. 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072；2. 武汉大学城市设计学院，湖北武汉 430072）摘要： ABAQUS是目前最先进的大型通用非线性有限元分析系统，也是唯一应用了特征技术的有限元分析软件。
通过剖析其特征技术应用的特点及其问题，对自主开发基于特征的有限元建模软件具有重要的参考价值。
首先介绍了ABAQUS中基于零件和装配概念的有限元模型的建模方式，其次分析研究了ABAQUS前处理模块ABAQUS/CAE中的特征技术及其应用特点，具体分析并总结了其形状特征的分类及生成方法，剖析了ABAQUS 中分析属性（分析类型、材料、载荷和边界条件等）与特征之间的关系，网格生成与特征之间的关系，最后指出了其特征技术应用存在的不足和缺陷，并给出了进一步改进的一些建议。
关键词：计算机应用；特征技术；分析；ABAQUS软件；特征造型；有限元分析；形状特征；分析属性特征；系统集成中图分类号：TP 391文献标识码：A 文章编号：1003-0158(2006)05-0142-07Feature Technology of Finite Element Analysis System ABAQUSZHANG Yu-feng1, ZHU Yi-wen1, DING Yu-ming2( 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China; 2. School of Urban Design, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )Abstract: Nowadays, ABAQUS is the most advanced finite element analysis system for solving non-linear problems in the world. It is also only one finite element analysis system which applies feature technology. Studying its characteristics and some problems of feature technology application is very important for developing feature-based finite element modeling software by ourselves. Firstly, this paper introduces the modeling mode of ABAQUS which is based on the conceptions of part and assemble, secondly, studies feature technology and its applications in ABAQUS/CAE——the preprocessing module of ABAQUS, concretely analyzes and summarizes the category of form feature and its generation methods, especially studies relationship between form feature and analysis attribute feature (analysis type, material, load and boundary conditions etc.), relationship between form feature and mesh generation, finally, the paper points out that ABAQUS has some deficiencies in applying feature technology, and provides some advice for improving the functions of ABAQUS.Key words: computer application; feature technology; analysis; ABAQUS; feature-based modeling; finite element analysis; form feature; analysis attribute feature; system integrating收稿日期：2006-04-30作者简介：张玉峰（1966-），男，甘肃礼县人，副教授，博士，主要研究方向为CG&CAD，结构工程，基于数字影像和激光扫描的三美国的非线性有限元力学分析软件ABAQUS[1]~[4]以非线性分析的专长而著称，其最新版本ABAQUS 6.4-2是目前普遍公认的世界上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件。
其核心模块主要有3个，即两个主分析模块：ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit和一个集成化的人机交互图形工作界面ABAQUS/CAE（a Complete Abaqus Environment，一个完整的集成化工作环境），其中ABAQUS/Standard是通用分析模块，ABAQUS/Explicit是显式分析模块，ABAQUS/CAE是前后处理模块。
ABAQUS/CAE一个显著的特点是采用了当前最先进的CAD建模方式——基于特征的参数化建模方式来建立其几何模型，也是目前唯一提供这种几何建模方法的有限元前处理程序。
作者旨在通过剖析ABAQUS/CAE中的特征技术应用特点，从而揭示有限元分析建模中特征技术的重要价值和意义。
1 ABAQUS中基于零件和装配概念的有限元建模方式有限元模型的建立过程是先建立分析问题的几何模型，然后指定分析类型和材料特性、定义边界条件和施加载荷，形成具有完整分析属性的属性模型，最后进行网格划分形成用于有限元分析的离散模型，这也是最终建立的有限元分析模型[5]。
ABAQUS/CAE用10个功能模块[1]~[4]：Part、Property、Assembly、Step、Interaction、Load、Mesh、Job、Visualization、Sketch顺次完成有限元建模、分析计算、后处理等。
ABAQUS/CAE 采用了基于零件和装配概念的参数化特征有限元建模方式，即首先用Part模块创建模型的零部件，接着用Property模块定义材料属性和截面，以截面为载体将材料属性赋予零件，然后用Assembly模块将各个零件装配成完整的几何模型。
在Step模块中定义分析步和计算结果输出的变量要求。
在Interaction模块中定义部件间的接触特性，接触特性可以看成是一种特殊的载荷或边界约束。
在Load模块里指定载荷和边界条件。
在Mesh模块中完成有限元网格的划分。
网格划分完成后，完整的有限元分析模型就形成了，分析模型的所有数据全部存储于模型数据库（.cae）中。
模型生成后，可用Job模块提交分析任务，进行分析并监控和诊断分析过程，分析计算完成后，将计算结果存储在输出数据库中（.odb），用于后处理显示各种图形。
2 ABAQUS/CAE中的特征技术及其应用特点分析2.1 几何模型建立中的特征技术ABAQUS/CAE的Part模块实际上是一个基于特征的参数化造型系统，用它可以构建任何复杂的零件级几何模型。
其提供的特征管理器允许用户操作（编辑、删除、重命名、隐藏、恢复、重生成等）和查询模型的所有特征，同时可以显示特征间的继承关系（哪个是父特征哪个是子特征）。
零件可以是二维、三维或轴对称的，每个零件可以包含实体、曲面、曲线、点等特征，零件可以是变形体也可以是刚体。
其提供的零件管理器可以显示模型中所有的零件，并允许用户对零件进行拷贝、删除、重命名和编辑，同时可以方便地查询组成零件的特征和零件的几何特性（如体积、惯性矩、任意两点距离等）。
2.1.1 形状特征的分类把有限元模型中的特征分两大类分析属性特征和形状特征。
分析属性特征包括分析类型、材料、载荷、边界条件等。
通过分析，作者将ABAQUS/CAE中的形状特征概括为基础特征、正特征、负特征、虚特征、草图特征、装配特征等几类。
（1）基础特征基础特征用来创建零件的“毛坯”，在此基础上以“加”和“减”两种方式增加零件的细部特征来对一个零件造型。
基础特征分类如图1所示。
图2表示了一个零件的特征造型过程。
第5期 张玉峰等：有限元分析系统ABAQUS中的特征技术·143·（2）正特征 正特征是迭加在基础特征或其它特征上的特征，是ABAQUS 用来以“加”方式创建零件的特征。
正特征可以分为实体特征（Solid ）、壳特征或表面特征（Shell ）、线特征（Wire ）3种。
创建实体特征的方法有3种：拉伸（Extrude ）、旋转（Revolve ）、扫掠（Sweep ）。
创建表面特征的方法有6种：拉伸（Extrude ）、旋转（Revolve ）、扫掠（Sweep ）、平面（Planar ）、选择实体的表面（From Solid ）、删除实体表面法（Remove Face ）。
其中，选择实体的表面就是指定实体的某些表面将其自动转换为表面特征；删除实体表面法就是将实体的某些表面删除，使剩下的表面自动转换为表面特征。
创建线特征的方法有两种：平面（Planar ）、连接两点的直线（Two Points ），即用平面内的直线或曲线创建线特征，连接两点构造直线特征。
正特征的分类如图3所示。
（3）负特征 负特征是用来切割基础特征或其它特征的特征，是ABAQUS 用来以“减”方式创建零件其它细部特征的特征。
负特征可以分为切割特征（Cut ）和倒角特征（Blend ）或过渡特征。
切割可以用拉伸、旋转、扫掠、圆孔等方式实现，倒角特征又分为直角特征和圆角特征。
负特征的分类如图4所示。
（4） 虚特征 虚特征不是组成零件的特征，它主要用来在零件创建过程中，对特征的定位、生成等起辅助作用和对零件进行区域切分以便定义材料、载荷、边界条件和划分网格等。
在(a) 生成拉伸基础特征(b) 添加拉伸壳特征(c) 切割拉伸实体特征 图2 零件的特征造型过程举例 ·144· 工 程 图 学 学 报 2006年ABAQUS中，虚特征可分为基准特征和切分特征。