Abaqus单元类型选择.pptx

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1、概述ABAQUS中的单元结构单元（壳和梁）vs.连续体单元使用连续体单元模拟弯曲应力集中接触不可压材料网格生成选择实体单元总结第1页/共52页ABAQUS中的单元第2页/共52页ABAQUS中的单元ABAQUS单元库中大量的单元为不同几何体和结构建模提供了非常大的灵活性。可以通过以下的特征为单元分类：族节点个数自由度公式积分点第3页/共52页ABAQUS中的单元族 有限元族是一种广泛的分类方法。同族的单元共享许多基本特征。在同一族单元中又有许多变异。特殊单元，如弹簧、阻尼器和质量单元连续体(实体单元)壳单元梁单元刚体单元薄膜单元桁架单元无限单元第4页/共52页ABAQUS中的单元节点个数(插值

2、)节点的单元编号决定了单元域内节点自由度的插值方式。ABAQUS包含一阶和二阶插值方式的单元。一次插值二次插值第5页/共52页ABAQUS中的单元自由度在有限元分析过程中，单元节点的自由度是基本变量。自由度的例子：位移转动温度电势一些单元具有与用户定义的节点不相关的内部自由度。第6页/共52页ABAQUS中的单元公式用于描述单元行为的数学公式是用于单元分类的另一种方法。不同单元公式的例子：平面应变平面应力杂交单元非协调元小应变壳有限应变壳厚壳薄壳第7页/共52页积分点在单元之内，刚度和单元质量在采样点，所谓的“积分点”，进行数值计算。用于积分这些变量的数值算法将影响单元的行为。ABAQUS包含

3、“全”积分和“减缩”积分单元。ABAQUS中的单元第8页/共52页全积分:对于具有线弹性材料属性的、未扭转的单元，精确积分应变能所需的最小积分阶数。减缩积分:积分的阶数比全积分小一阶。ABAQUS中的单元一次插值全积分 二次插值减缩积分第9页/共52页ABAQUS中的单元单元命名约定：例子B21:Beam,2-D,1st-order interpolationCAX8R:Continuum,AXisymmetric,8-node,Reduced integrationDC3D4:Diffusion(heat transfer),Continuum,3-D,4-nodeS8RT:Shell,8-

4、node,Reduced integration,TemperatureCPE8PH:Continuum,Plane strain,8-node,Pore pressure,HybridDC1D2E:Diffusion(heat transfer),Continuum,1-D,2-node,Electrical第10页/共52页ABAQUS中的单元比较ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit单元库两种程序基本上具有相同的单元族：连续体、壳、梁等等。除了应力分析，ABAQUS/Standard包括许多可以用于其它分析类型的单元：热传导、土壤固结、声学等等。在ABAQUS/E

5、xplicit中也可以使用声学单元。对于每个单元族，ABAQUS/Standard包含许多变种。ABAQUS/Explicit包含几乎所有的一阶单元。例外：二阶三角形和四面体单元、二阶梁单元对于两种程序，许多单元选择的准则是一样的。第11页/共52页结构单元（壳和梁）vs.连续体单元第12页/共52页连续体(实体)单元模型一般较大、并且昂贵，尤其对于三维问题。如果合适，应该尽量使用结构单元(壳和梁)，以得到更经济的解。与连续体单元模型相比，结构单元模型需要的单元一般少得多。对于能得到可接受结果的结构单元，壳的厚度和梁截面的尺寸应该小于总体结构尺寸的1/10，比如：支撑或点载荷之间的距离尺寸变化

6、很大的横截面之间的距离最高振动模态的波长结构单元（壳和梁）vs.连续体单元第13页/共52页壳单元使用表面模型构成的壳单元近似模拟三维实体连续体单元。可以有效的模拟弯曲和面内变形。如果需要分析某个区域的细节，使用多点约束或子模型的办法可以将局部的三维实体模型加入到壳单元模型中。遭受发射冲击半球圆顶的壳模型结构单元（壳和梁）vs.连续体单元3-D 实体表面模型第14页/共52页结构单元（壳和梁）vs.连续体单元梁单元使用线模型构成的梁单元近似模拟三维实体单元。可以有效的模拟弯曲、扭转和轴力。有许多可用的横截面形状。还可以用工程常数的方式指定横截面属性。线模型利用梁单元建模的框架结构3-D 实体第

7、15页/共52页使用连续体单元模拟弯曲第16页/共52页使用连续体单元模拟弯曲纯弯曲的物理特征有限元方法企图模拟的材料行为是：在变形过程中，横截面仍然保持为平面。沿厚度方向，轴向应变xx 线性变化。如果=0，厚度方向的应变yy 为零。没有薄膜剪切应变。在圆弧上，线平行于梁轴。xx第17页/共52页使用连续体单元模拟弯曲使用二阶实体单元模拟弯曲(CPE8,C3D20R,)二阶全积分和减缩积分实体单元可以精确模拟弯曲：轴向应变等于初始水平线的长度变化。厚度方向的应变为零。剪切应变为零。初始垂直的线长度不变(意味着yy=0)。因为假设单元边为曲线，所以变形等参线之间的夹角仍为90o(意味着 xy=0

8、)。等参线第18页/共52页使用连续体单元模拟弯曲使用一阶全积分实体单元模拟弯曲问题(CPS4,CPE4,C3D8)这些单元在积分点检测到剪切应变。不真实的；由于使用的单元公式才出现。单元过硬的行为源于应变能用于产生剪切变形而不是产生弯曲（称为“剪切锁闭”）。因为单元的边必须仍然为直边，所以变形之后的等参线之间的夹角不再保持为90o(意味着 )。积分点不要在弯曲起主要作用的区域使用这些单元不要在弯曲起主要作用的区域使用这些单元!第19页/共52页使用连续体单元模拟弯曲使用一阶减缩积分单元模拟弯曲(CPE4R,)这些单元去除了剪切锁闭效应。然而，使用这些单元时会出现沙漏现象。在中心处，只有一个积

9、分点。在厚度方向的一个单元不能检测到弯曲应变。变形为零能模式（产生变形，但是没有应变；被称为“沙漏”）。长度的改变为零(意味着积分点上没有应变）。单个一阶减缩积分单元的弯曲行为。第20页/共52页使用连续体单元模拟弯曲沙漏在一阶减缩积分单元中可以很容易的传播，并导致不可靠的结果。如果在厚度方向使用多个单元最少四个单元，沙漏将不会产生问题。每个单元捕获压缩或拉伸应变，但不能同时捕获。轴向应变被正确的度量。厚度方向的应变和剪切应变为零。节省计算费用和有效的单元。在厚度方向有四个单元没有沙漏第21页/共52页使用连续体单元模拟弯曲检查并控制沙漏在变形形状的绘图中，可以看到沙漏现象。例子：带有中心点载

10、荷简支梁的粗网格和中等网格。ABAQUS有内建的沙漏控制方法，用以限制沙漏产生的问题。确认用于控制沙漏的伪应变能与内能之比很小(0.475)。例如：橡胶经受大塑性应变的金属由于体积锁闭，经典的有限元 网格经常表现出过度刚硬的行为。在材料高度约束时，这种影响更 加严重。带有体积锁闭弹塑性材料的过度刚硬性为弹塑性材料的正确行为体积锁闭效应的例子第37页/共52页不可压材料由于积分点的体积必须保持为常数，导致允许的位移场过度约束，所以产生了体积锁闭。比如，由8节点六面体单元组成的细划的三维网格，平均每个单元的1个节点有3个自由度。每个积分点的体积必须保持为常数。每个全积分六面体单元使用8个积分点；因

11、此，在本例中每个单元有8个约束，但是只有三个可用的自由度满足这些约束。网格被过度约束它产生“锁闭”。在全积分单元中，体积锁闭非常明显。减缩积分单元具有更少的体积约束。带有几乎不可压材料的许多问题中，减缩积分单元有效的避免了体积锁闭。第38页/共52页不可压材料利用实体单元模拟的完全不可压材料不需使用“杂交”公式(以字母“H”结束的单元名字)。在该公式中，压应力是独立的插值基本求解变量。它将位移解同本构理论耦合。杂交单元为了减轻体积锁闭问题，引入了附加的变量。附加变量使得杂交单元的求解费用变得更加昂贵。ABAQUS单元库中包含所有连续体单元的杂交公式（除了平面应力单元，因为它们不需要）。第39页

12、/共52页杂交单元在以下情况是必要的：所有的网格均是严格的不可压材料，比如橡胶。减缩积分的精细网格仍然会表现出体积锁闭问题。当弹塑性材料中的应变远远超过塑性范围后，将会出现这样的问题。如果模型为完全不可压材料，使用杂交网格的一阶三角形和四面体单元也会出现过度约束的问题。因此，仅推荐作为四边形或六面体网格中的填充物。不可压材料第40页/共52页网格生成第41页/共52页网格生成四边形/六面体 vs.三角形/四面体单元在生成网格时，选择使用四边形/六面体单元或三角形/四面体单元是非常重要的。在可能的条件下，尽量使用四边形/六面体单元。它们以最小的费用给出最好的结果。在为复杂的几何体建模时，几乎没有

13、任何的选择，必须使用三角形和四面体单元。四面体单元模拟带有平台的涡轮叶片第42页/共52页网格生成一阶三角形/四面体单元(CPE3,CPS3,CAX3,C3D4,C3D6)是质量较差的单元；它们有以下的问题：较差的收敛率。如果需要得到较好的结果，通常需要非常细的网格。即使使用杂交公式，对于不可压材料或几乎不可压材料仍然会产生体积锁闭。这些单元只能用在远离关心精度的区域，并把它们作为填料。第43页/共52页经典的硬接触条件下，受均布压力的常规二阶四面体单元(C3D10)的等效节点力网格生成“常规的”二阶四面体、二阶楔形和六节点壳和薄膜单元(C3D10,C3D15,STRI65,M3D6)不能用于

14、模拟接触问题，除非使用基于罚函数的接触公式。与“经典”的硬接触相比，在单元角点和中点处，均压下的接触力存在明显的不同。二阶三角形单元(CAX6,CPE6,CPS6)可能会显示出类似噪声的接触力分布，并导致收敛困难。第44页/共52页网格生成修正的 二阶三角形/四面体单元(C3D10M,等等)减轻了其它三角形/四面体单元的问题。好的收敛率与二阶四边形/六面体单元的收敛率相近。最小化剪切锁闭和体积锁闭。利用杂交公式(C3D10MH)，可以用于模拟不可压或几乎不可压材料。在有限变形问题中，这些单元表现强劲。一致的接触压力可以使这些单元精确的模拟接触问题。使用它们!第45页/共52页网格生成网格细化和

15、收敛性使用充分细化的网格，以证明ABAQUS的模拟结果是让人满意的。粗略的网格可能会产生不精确的结果。随着网格的细划，所需的计算机资源也随之增加。在所分析的问题中，一般不需要将全部结构都均匀的细划网格。只在梯度高的区域细划网格，在梯度低的区域使用较粗的网格。在生成网格之前，可以预计高梯度的区域。利用手工计算、经验等等。另外，可以利用粗略的网格区定高梯度的区域。第46页/共52页网格生成一些推荐:尽量使网格扭曲最小化。在圆孔附近的每90o范围内，最少需要四个四边形单元。如果使用一阶减缩积分实体单元模拟弯曲问题，在结构的厚度方向最少需要四个单元。对于给定类型的问题，可以积累其它的指导原则。第47页

16、/共52页网格生成最好进行单元收敛性研究。用逐步细化的网格模拟问题，并比较结果。因为分析模型的定义是基于结构的几何特征，所以在ABAQUS/CAE中可以很容易的修改网格密度。当两种网格得到几乎相同的结果，结果被认为是“收敛的”。这可以增加结果的可信度。第48页/共52页选择实体单元总结第49页/共52页选择实体单元总结问题分类问题分类最佳单元选项最佳单元选项避免使用避免使用变形体之间的通用接触一阶四边形/六面体二阶四边形/六面体带有弯曲的接触非协调模式一阶全积分四边形/六面体或二阶四边形/六面体弯曲（没有接触）二阶四边形/六面体一阶全积分四边形/六面体应力集中二阶一阶几乎不可压(n 0.475

17、 或 大的塑性应变pl 10%)一阶单元或二阶减缩积分单元二阶全积分单元第50页/共52页选择实体单元总结问题分类问题分类最佳单元选项最佳单元选项避免使用避免使用完全不可压(橡胶n=0.5)如果需要模拟大变形，使用杂交四边形/六面体，一阶单元屈曲材料成型（高度网格扭曲）一阶减缩积分 四边形/六面体二阶四边形/六面体复杂的几何模型（线性材料，没有接触）如果可能（如果没有过度扭曲），使用二阶四边形/六面体单元，或者使用二阶三角形/四面体单元（因为网格划分的困难）复杂的几何模型（非线性或接触）使用一阶四边形/六面体（如果不是过度扭曲）或者使用修正的二阶三角形/四面体（因为网格划分的困难）自然频率（线性动力学）二阶非线性动力学（隐式）一阶二阶第51页/共52页ABAQUS/analysis_单元选择标准谢谢大家观赏！第52页/共52页