Abaqus

Abaqus — это программный комплекс для инженерного анализа методом конечных элементов (МКЭ), разработанный компанией Dassault Systèmes (Франция). Предназначен для решения широкого круга задач механики деформируемого твёрдого тела, включая линейный и нелинейный статический и динамический анализ, теплопередачу, акустику, пьезоэлектрику, а также связанные задачи (например, термомеханические или гидроупругие). Abaqus является одним из наиболее распространённых коммерческих пакетов для нелинейных расчётов в машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, нефтегазовой отрасли и научных исследованиях.

История

Разработка Abaqus началась в 1978 году в США. Основателями компании Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc. (HKS) стали Дэвид Хиббитт (David Hibbitt), Бенгт Карлссон (Bengt Karlsson) и Пол Соренсен (Paul Sorensen) — бывшие сотрудники лаборатории под руководством профессора Эдварда Уилсона (Edward L. Wilson) в Калифорнийском университете в Беркли. Первая коммерческая версия Abaqus была выпущена в 1979 году.

В 2002 году компания HKS была приобретена корпорацией Dassault Systèmes, которая также владеет пакетом SolidWorks и платформой CATIA. После приобретения Abaqus был интегрирован в экосистему Dassault Systèmes под брендом SIMULIA. В 2005 году вышла версия 6.5, в которой была реализована поддержка параллельных вычислений с использованием технологии MPI. В 2014 году была выпущена версия 6.14, которая долгое время оставалась одной из наиболее стабильных и широко используемых.

С 2020 года нумерация версий изменилась: вместо 6.xx стали выходить версии 2020, 2021, 2022 и так далее. В 2023 году вышла версия 2023, в которой были улучшены алгоритмы контактного взаимодействия, расширены возможности моделирования композитных материалов и добавлена поддержка новых типов конечных элементов.

Архитектура и модули

Abaqus состоит из нескольких основных модулей, каждый из которых предназначен для решения определённого класса задач:

Abaqus/Standard

Abaqus/Standard — это решатель, основанный на неявном методе интегрирования по времени. Он используется для статических и динамических расчётов, где требуется высокая точность и устойчивость решения. Подходит для задач, не содержащих резких динамических возмущений (например, медленное нагружение, теплопередача, контактные задачи с малыми перемещениями).

Abaqus/Explicit

Abaqus/Explicit — это решатель, основанный на явном методе интегрирования по времени. Он оптимизирован для решения задач с быстрыми динамическими процессами, такими как удар, взрыв, краш-тесты, штамповка, разрушение. Явный метод не требует решения системы уравнений на каждом шаге, что делает его эффективным для задач с большими деформациями и сложными контактами.

Abaqus/CFD

Abaqus/CFD — модуль для вычислительной гидродинамики (CFD). Позволяет решать задачи течения жидкости и газа, в том числе с учётом теплопередачи и турбулентности. Модуль интегрирован с решателями Abaqus/Standard и Abaqus/Explicit для решения связанных задач (например, аэроупругости).

Abaqus/CAE

Abaqus/CAE (Complete Abaqus Environment) — это графическая среда для создания, редактирования и визуализации конечно-элементных моделей. Включает инструменты для геометрического моделирования, задания граничных условий, назначения свойств материалов, генерации сетки и постпроцессинга. Интерфейс основан на библиотеке Qt и поддерживает скриптинг на языке Python.

Abaqus/Viewer

Abaqus/Viewer — это отдельный модуль для визуализации результатов расчёта. Позволяет отображать поля напряжений, деформаций, температур, а также анимировать динамические процессы.

Основные возможности

Нелинейный анализ

Abaqus обладает развитыми средствами для решения нелинейных задач, включая:

• Геометрическая нелинейность — большие перемещения, повороты и деформации (например, при моделировании резиновых уплотнителей или тонкостенных конструкций).
• Физическая нелинейность — нелинейные свойства материалов (пластичность, ползучесть, гиперупругость, вязкоупругость).
• Контактная нелинейность — моделирование взаимодействия между телами с учётом трения, зазоров, проскальзывания и отрыва.

Моделирование материалов

Библиотека материалов Abaqus включает более 200 моделей, в том числе:

• Линейно-упругие и анизотропные материалы.
• Пластические модели (von Mises, Hill, Drucker-Prager, Gurson).
• Гиперупругие модели (Mooney-Rivlin, Ogden, Neo-Hooke) для резин и эластомеров.
• Вязкоупругие модели (Prony-ряды, модели Максвелла и Кельвина-Фойгта).
• Модели разрушения (Johnson-Cook, cohesive zone model, XFEM).
• Модели композитных материалов (ламинаты, сэндвич-панели).

Связанные задачи

Abaqus позволяет решать мультифизические задачи, в которых несколько физических полей взаимодействуют между собой:

• Термомеханический анализ — учёт тепловыделения при пластической деформации и теплового расширения.
• Пьезоэлектрический анализ — моделирование датчиков, актуаторов и преобразователей.
• Акустический анализ — распространение звуковых волн в жидкостях и газах, взаимодействие с конструкциями.
• Гидроупругий анализ — взаимодействие жидкости и деформируемой конструкции (например, в трубопроводах или резервуарах).

Параллельные вычисления

Abaqus поддерживает параллельные вычисления с использованием технологии MPI (Message Passing Interface) для распределённых систем и OpenMP для многоядерных процессоров. Это позволяет решать задачи с миллионами степеней свободы на кластерах и суперкомпьютерах.

Применение

Авиастроение и космонавтика

В авиастроении Abaqus используется для моделирования прочности и усталости фюзеляжей, крыльев, лопаток турбин, а также для анализа ударов птиц, фрагментов шин и других внешних воздействий. В космонавтике — для расчёта тепловых режимов спутников, прочности корпусов ракет и моделирования посадки на другие планеты.

Автомобилестроение

В автомобильной промышленности Abaqus применяется для краш-тестов (фронтальный, боковой, наезд на пешехода), моделирования подушек безопасности, ремней безопасности, а также для анализа усталости подвески, кузова и двигателя.

Нефтегазовая отрасль

В нефтегазовой отрасли Abaqus используется для моделирования бурения, цементирования скважин, прочности трубопроводов, а также для анализа устойчивости морских платформ и подводных сооружений.

Медицина и биомеханика

Abaqus применяется в биомеханике для моделирования костей, суставов, имплантатов, зубных протезов и стентов. Например, с его помощью анализируют распределение напряжений в тазобедренном суставе после эндопротезирования.

Научные исследования

В университетах и научных центрах Abaqus используется для изучения механики разрушения, поведения новых материалов (композиты, пенометаллы, наноматериалы), а также для верификации аналитических решений и разработки новых численных методов.

Критика и ограничения

Несмотря на широкую распространённость, Abaqus имеет ряд недостатков. Основным является высокая стоимость лицензий, что делает его малодоступным для небольших компаний и частных исследователей. Также отмечается сложность интерфейса Abaqus/CAE и необходимость глубоких знаний в области механики и численных методов для корректной постановки задачи. Пользователи часто критикуют ограниченные возможности по созданию сложной геометрии — для этих целей обычно требуется импорт моделей из CAD-систем (SolidWorks, CATIA, NX).

Кроме того, Abaqus/Explicit может быть неэффективен для задач с медленными процессами из-за необходимости использования очень малого шага по времени. В таких случаях предпочтительнее использовать Abaqus/Standard.

Аналоги и конкуренты

На рынке коммерческих МКЭ-пакетов Abaqus конкурирует с ANSYS (США), COMSOL Multiphysics (Швеция), Nastran (США, входит в состав Siemens Digital Industries Software), LS-DYNA (США, явный решатель) и Marc (США, входит в состав MSC Software). Среди открытых аналогов можно выделить CalculiX (Германия) и Code_Aster (Франция, разработан EDF).

Интересные факты

• Название «Abaqus» происходит от латинского слова «abacus» (счётная доска), что подчёркивает вычислительную природу программы.
• Первая версия Abaqus была написана на языке FORTRAN и работала на мейнфреймах.
• В 2006 году Abaqus был использован для моделирования разрушения Всемирного торгового центра в Нью-Йорке в рамках исследования Национального института стандартов и технологий (NIST).
• В 2020 году Dassault Systèmes выпустила облачную версию Abaqus, доступную через платформу 3DEXPERIENCE.

Источники

• Hibbitt, H. D., Karlsson, B. I., & Sorensen, E. P. (1979). Abaqus — A general-purpose finite element program. Proceedings of the 5th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.
• Dassault Systèmes. (2023). Abaqus Analysis User's Guide, Version 2023.
• Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., & Zhu, J. Z. (2013). The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals (7th ed.). Butterworth-Heinemann.
• NIST. (2005). Final Report on the Collapse of the World Trade Center Towers. National Institute of Standards and Technology.
• Cook, R. D., Malkus, D. S., Plesha, M. E., & Witt, R. J. (2001). Concepts and Applications of Finite Element Analysis (4th ed.). Wiley.