Abaqus單元類型選擇

1、ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),單元類型選擇標(biāo)準(zhǔn),Element type,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),概述,ABAQUS中的單元 結(jié)構(gòu)單元（殼和梁） vs. 連續(xù)體單元 使用連續(xù)體單元模擬彎曲 應(yīng)力集中 接觸 不可壓材料 網(wǎng)格生成 選擇實(shí)體單元總結(jié),ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,ABAQUS單元庫中大量的單元為不同幾何體和結(jié)構(gòu)建模提供了非常大的靈活性。 可以通過以下的特征為單元分類： 族 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) 自由度 公式 積分點(diǎn),ABAQUS/analysis_單元

2、選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,族 有限元族是一種廣泛的分類方法。 同族的單元共享許多基本特征。 在同一族單元中又有許多變異。,特殊單元，如彈簧、阻尼器和質(zhì)量單元,連續(xù)體(實(shí)體單元),殼單元,梁單元,剛體單元,薄膜單元,桁架單元,無限單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) (插值) 節(jié)點(diǎn)的單元編號決定了單元域內(nèi)節(jié)點(diǎn)自由度的插值方式。 ABAQUS包含一階和二階插值方式的單元。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,自由度 在有限元分析過程中，單元節(jié)點(diǎn)的自由度是基本變量。 自由度的例子： 位移 轉(zhuǎn)動 溫度 電勢 一些單元具

3、有與用戶定義的節(jié)點(diǎn)不相關(guān)的內(nèi)部自由度。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,公式 用于描述單元行為的數(shù)學(xué)公式是用于單元分類的另一種方法。 不同單元公式的例子： 平面應(yīng)變 平面應(yīng)力 雜交單元 非協(xié)調(diào)元 小應(yīng)變殼 有限應(yīng)變殼 厚殼 薄殼,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),積分點(diǎn) 在單元之內(nèi)，剛度和單元質(zhì)量在采樣點(diǎn)，所謂的“積分點(diǎn)”，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 用于積分這些變量的數(shù)值算法將影響單元的行為。 ABAQUS包含“全”積分和“減縮”積分單元。,ABAQUS中的單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),全積分: 對于具有線彈性材料屬性的、未扭轉(zhuǎn)的單元

4、，精確積分應(yīng)變能所需的最小積分階數(shù)。 減縮積分: 積分的階數(shù)比全積分小一階。,ABAQUS中的單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,單元命名約定：例子,B21: Beam, 2-D, 1st-order interpolation,CAX8R: Continuum, AXisymmetric, 8-node, Reduced integration,DC3D4: Diffusion (heat transfer), Continuum, 3-D, 4-node,S8RT: Shell, 8-node, Reduced integration, Tempera

5、ture,CPE8PH: Continuum, Plane strain, 8-node, Pore pressure, Hybrid,DC1D2E: Diffusion (heat transfer), Continuum, 1-D, 2-node, Electrical,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,比較ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit單元庫 兩種程序基本上具有相同的單元族：連續(xù)體、殼、梁等等。 除了應(yīng)力分析，ABAQUS/Standard包括許多可以用于其它分析類型的單元：熱傳導(dǎo)、土壤固結(jié)、聲學(xué)等等。 在ABAQUS/E

6、xplicit中也可以使用聲學(xué)單元。 對于每個(gè)單元族，ABAQUS/Standard包含許多變種。 ABAQUS/Explicit包含幾乎所有的一階單元。 例外：二階三角形和四面體單元、二階梁單元 對于兩種程序，許多單元選擇的準(zhǔn)則是一樣的。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)單元（殼和梁） vs. 連續(xù)體單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),連續(xù)體(實(shí)體)單元模型一般較大、并且昂貴，尤其對于三維問題。 如果合適，應(yīng)該盡量使用結(jié)構(gòu)單元(殼和梁)，以得到更經(jīng)濟(jì)的解。 與連續(xù)體單元模型相比，結(jié)構(gòu)單元模型需要的單元一般少得多。 對于能得到可接受結(jié)果的結(jié)構(gòu)單元，殼的厚度和梁

7、截面的尺寸應(yīng)該小于總體結(jié)構(gòu)尺寸的1/10，比如： 支撐或點(diǎn)載荷之間的距離 尺寸變化很大的橫截面之間的距離 最高振動模態(tài)的波長,結(jié)構(gòu)單元（殼和梁） vs. 連續(xù)體單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),殼單元 使用表面模型構(gòu)成的殼單元近似模擬三維實(shí)體連續(xù)體單元。 可以有效的模擬彎曲和面內(nèi)變形。 如果需要分析某個(gè)區(qū)域的細(xì)節(jié)，使用多點(diǎn)約束或子模型的辦法可以將局部的三維實(shí)體模型加入到殼單元模型中。,遭受發(fā)射沖擊半球圓頂?shù)臍つＰ?結(jié)構(gòu)單元（殼和梁） vs. 連續(xù)體單元,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)單元（殼和梁） vs. 連續(xù)體單元,梁單元 使用線模型構(gòu)成的梁單元近似模擬

8、三維實(shí)體單元。 可以有效的模擬彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸力。 有許多可用的橫截面形狀。 還可以用工程常數(shù)的方式指定橫截面屬性。,線模型,利用梁單元建模的框架結(jié)構(gòu),3-D 實(shí)體,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,純彎曲的物理特征 有限元方法企圖模擬的材料行為是： 在變形過程中，橫截面仍然保持為平面。 沿厚度方向，軸向應(yīng)變xx 線性變化。 如果 = 0 ，厚度方向的應(yīng)變yy 為零。 沒有薄膜剪切應(yīng)變。 在圓弧上，線平行于梁軸。,xx,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,使

9、用二階實(shí)體單元模擬彎曲 (CPE8, C3D20R, ) 二階全積分和減縮積分實(shí)體單元可以精確模擬彎曲： 軸向應(yīng)變等于初始水平線的長度變化。 厚度方向的應(yīng)變?yōu)榱恪?剪切應(yīng)變?yōu)榱恪?初始垂直的線長度不變 (意味著yy = 0)。,因?yàn)榧僭O(shè)單元邊為曲線，所以變形等參線之間的夾角仍為90o (意味著 xy = 0)。,等參線,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,使用一階全積分實(shí)體單元模擬彎曲問題 (CPS4, CPE4, C3D8) 這些單元在積分點(diǎn)檢測到剪切應(yīng)變。 不真實(shí)的；由于使用的單元公式才出現(xiàn)。 單元過硬的行為源于應(yīng)變能用于產(chǎn)生剪切變形而不是產(chǎn)生彎曲（稱為“

10、剪切鎖閉”）。,因?yàn)閱卧倪叡仨毴匀粸橹边叄宰冃沃蟮牡葏⒕€之間的夾角不再保持為90o (意味著 )。,積分點(diǎn),不要在彎曲起主要作用的區(qū)域使用這些單元!,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,使用一階減縮積分單元模擬彎曲 (CPE4R, ) 這些單元去除了剪切鎖閉效應(yīng)。 然而，使用這些單元時(shí)會出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象。 在中心處，只有一個(gè)積分點(diǎn)。 在厚度方向的一個(gè)單元不能檢測到彎曲應(yīng)變。 變形為零能模式（產(chǎn)生變形，但是沒有應(yīng)變；被稱為“沙漏”）。,長度的改變?yōu)榱?意味著積分點(diǎn)上沒有應(yīng)變）。,單個(gè)一階減縮積分單元的彎曲行為。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),

11、使用連續(xù)體單元模擬彎曲,沙漏在一階減縮積分單元中可以很容易的傳播，并導(dǎo)致不可靠的結(jié)果。 如果在厚度方向使用多個(gè)單元最少四個(gè)單元，沙漏將不會產(chǎn)生問題。 每個(gè)單元捕獲壓縮或拉伸應(yīng)變，但不能同時(shí)捕獲。 軸向應(yīng)變被正確的度量。 厚度方向的應(yīng)變和剪切應(yīng)變?yōu)榱恪?節(jié)省計(jì)算費(fèi)用和有效的單元。,在厚度方向有四個(gè)單元,沒有沙漏,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,檢查并控制沙漏 在變形形狀的繪圖中，可以看到沙漏現(xiàn)象。 例子：帶有中心點(diǎn)載荷簡支梁的粗網(wǎng)格和中等網(wǎng)格。 ABAQUS有內(nèi)建的沙漏控制方法，用以限制沙漏產(chǎn)生的問題。 確認(rèn)用于控制沙漏的偽應(yīng)變能與內(nèi)能之比很小( 0.475

12、)。 例如： 橡膠 經(jīng)受大塑性應(yīng)變的金屬 由于體積鎖閉，經(jīng)典的有限元 網(wǎng)格經(jīng)常表現(xiàn)出過度剛硬的行為。 在材料高度約束時(shí)，這種影響更 加嚴(yán)重。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),不可壓材料,由于積分點(diǎn)的體積必須保持為常數(shù)，導(dǎo)致允許的位移場過度約束，所以產(chǎn)生了體積鎖閉。 比如，由8節(jié)點(diǎn)六面體單元組成的細(xì)劃的三維網(wǎng)格，平均每個(gè)單元的1個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。 每個(gè)積分點(diǎn)的體積必須保持為常數(shù)。 每個(gè)全積分六面體單元使用8個(gè)積分點(diǎn)；因此，在本例中每個(gè)單元有8個(gè)約束，但是只有三個(gè)可用的自由度滿足這些約束。 網(wǎng)格被過度約束它產(chǎn)生 “鎖閉”。 在全積分單元中，體積鎖閉非常明顯。 減縮積分單元具有更少的

13、體積約束。 帶有幾乎不可壓材料的許多問題中，減縮積分單元有效的避免了體積鎖閉。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),不可壓材料,利用實(shí)體單元模擬的完全不可壓材料不需使用“雜交”公式 (以字母 “H”結(jié)束的單元名字)。 在該公式中，壓應(yīng)力是獨(dú)立的插值基本求解變量。 它將位移解同本構(gòu)理論耦合。 雜交單元為了減輕體積鎖閉問題，引入了附加的變量。 附加變量使得雜交單元的求解費(fèi)用變得更加昂貴。 ABAQUS單元庫中包含所有連續(xù)體單元的雜交公式（除了平面應(yīng)力單元，因?yàn)樗鼈儾恍枰?ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),雜交單元在以下情況是必要的： 所有的網(wǎng)格均是嚴(yán)格的不可壓材料，比如橡

14、膠。 減縮積分的精細(xì)網(wǎng)格仍然會表現(xiàn)出體積鎖閉問題。當(dāng)彈塑性材料中的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塑性范圍后，將會出現(xiàn)這樣的問題。 如果模型為完全不可壓材料，使用雜交網(wǎng)格的一階三角形和四面體單元也會出現(xiàn)過度約束的問題。因此，僅推薦作為四邊形或六面體網(wǎng)格中的填充物。,不可壓材料,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,四邊形/六面體 vs. 三角形/四面體單元 在生成網(wǎng)格時(shí)，選擇使用四邊形/六面體單元或三角形/四面體單元是非常重要的。 在可能的條件下，盡量使用四邊形/六面體單元。 它們以最小的費(fèi)用給出最好的結(jié)果。 在為復(fù)雜的幾何體建模時(shí)，幾乎沒

15、有任何的選擇，必須使用三角形和四面體單元。,四面體單元模擬帶有平臺的渦輪葉片,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,一階三角形/四面體單元(CPE3, CPS3, CAX3, C3D4, C3D6)是質(zhì)量較差的單元；它們有以下的問題： 較差的收斂率。 如果需要得到較好的結(jié)果，通常需要非常細(xì)的網(wǎng)格。 即使使用雜交公式，對于不可壓材料或幾乎不可壓材料仍然會產(chǎn)生體積鎖閉。 這些單元只能用在遠(yuǎn)離關(guān)心精度的區(qū)域，并把它們作為填料。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)典的硬接觸條件下，受均布壓力的常規(guī)二階四面體單元(C3D10)的等效節(jié)點(diǎn)力,網(wǎng)格生成,“常規(guī)的”二階四面體、

16、二階楔形和六節(jié)點(diǎn)殼和薄膜單元(C3D10, C3D15, STRI65, M3D6)不能用于模擬接觸問題，除非使用基于罰函數(shù)的接觸公式。 與“經(jīng)典”的硬接觸相比，在單元角點(diǎn)和中點(diǎn)處，均壓下的接觸力存在明顯的不同。 二階三角形單元(CAX6, CPE6, CPS6)可能會顯示出類似噪聲的接觸力分布，并導(dǎo)致收斂困難。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,修正的 二階三角形/四面體單元(C3D10M, 等等)減輕了其它三角形/四面體單元的問題。 好的收斂率與二階四邊形/六面體單元的收斂率相近。 最小化剪切鎖閉和體積鎖閉。 利用雜交公式(C3D10MH)，可以用于模擬不可壓或幾乎不

17、可壓材料。 在有限變形問題中，這些單元表現(xiàn)強(qiáng)勁。 一致的接觸壓力可以使這些單元精確的模擬接觸問題。 使用它們!,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,網(wǎng)格細(xì)化和收斂性 使用充分細(xì)化的網(wǎng)格，以證明ABAQUS的模擬結(jié)果是讓人滿意的。 粗略的網(wǎng)格可能會產(chǎn)生不精確的結(jié)果。 隨著網(wǎng)格的細(xì)劃，所需的計(jì)算機(jī)資源也隨之增加。 在所分析的問題中，一般不需要將全部結(jié)構(gòu)都均勻的細(xì)劃網(wǎng)格。 只在梯度高的區(qū)域細(xì)劃網(wǎng)格，在梯度低的區(qū)域使用較粗的網(wǎng)格。 在生成網(wǎng)格之前，可以預(yù)計(jì)高梯度的區(qū)域。 利用手工計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)等等。 另外，可以利用粗略的網(wǎng)格區(qū)定高梯度的區(qū)域。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,一些推薦: 盡量使網(wǎng)格扭曲最小化。 在圓孔附近的每90o范圍內(nèi)，最少需要四個(gè)四邊形單元。 如果使用一階減縮積分實(shí)體單元模擬彎曲問題，在結(jié)構(gòu)的厚度方向最少需要四個(gè)