abaqus單元類(lèi)型選擇

1、ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),單元類(lèi)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(kù)中

2、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?？梢酝ㄟ^(guò)以下的特征為單元分類(lèi)：族節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)自由度公式積分點(diǎn),ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),ABAQUS中的單元,族 有限元族是一種廣泛的分類(lèi)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?jiǎn)卧?剛體單元,薄膜單元,桁架單元,無(wú)限單元,ABAQUS/analysis_單元選

3、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(hào)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(guò)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(dòng)溫度電勢(shì)一些單元具有與用戶(hù)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

4、描述單元行為的數(shù)學(xué)公式是用于單元分類(lèi)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

5、:對(duì)于具有線(xiàn)彈性材料屬性的、未扭轉(zhuǎn)的單元，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,DC3D

6、4: Diffusion (heat transfer), Continuum, 3-D, 4-node,S8RT: Shell, 8-node, Reduced integration, Temperature,CPE8PH: Continuum, Plane strain, 8-node, Pore pressure, Hybrid,DC1D2E: Diffusion (heat transfer), Continuum, 1-D,

7、 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(kù)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(lèi)型的單元：熱傳導(dǎo)、土壤固結(jié)、聲學(xué)等等。在A(yíng)BAQUS/Explicit中也可以使用聲學(xué)單元。對(duì)于每個(gè)單元族，ABAQUS/Stan

8、dard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?jiǎn)卧獙?duì)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(duì)于三維問(wèn)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

9、比，結(jié)構(gòu)單元模型需要的單元一般少得多。對(duì)于能得到可接受結(jié)果的結(jié)構(gòu)單元，殼的厚度和梁截面的尺寸應(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(dòng)模態(tài)的波長(zhǎng),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?？梢杂行У哪M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

10、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?jiǎn)卧褂镁€(xiàn)模型構(gòu)成的梁?jiǎn)卧颇M三維實(shí)體單元?？梢杂行У哪M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(xiàn)模型,利用梁?jiǎn)卧５目蚣芙Y(jié)構(gòu),3-D 實(shí)體,ABAQUS/analysis_

11、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(guò)程中，橫截面仍然保持為平面。沿厚度方向，軸向應(yīng)變?xx 線(xiàn)性變化。如果? = 0 ，厚度方向的應(yīng)變?yy 為零。沒(méi)有薄膜剪切應(yīng)變。在圓弧上，線(xiàn)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,使用二階實(shí)體單元模擬彎曲 (C

12、PE8, 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(xiàn)的長(zhǎng)度變化。厚度方向的應(yīng)變?yōu)榱?。剪切?yīng)變?yōu)榱恪?初始垂直的線(xiàn)長(zhǎng)度不變 (意味著?yy = 0)。,,因?yàn)榧僭O(shè)單元邊為曲線(xiàn)，所以變形等參線(xiàn)之間的夾角仍為90o (意味著 ?xy = 0)。,,等參線(xiàn),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(wèn)題 (CPS4, CPE4, C3

13、D8)這些單元在積分點(diǎn)檢測(cè)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(guò)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(chēng)為“剪切鎖閉”）。,因?yàn)閱卧倪叡仨毴匀粸橹边叄宰冃沃蟮牡葏⒕€(xiàn)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

14、, …)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(huì)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(cè)到彎曲應(yīng)變。變形為零能模式（產(chǎn)生變形，但是沒(méi)有應(yīng)變；被稱(chēng)為“沙漏”）。,長(zhǎng)度的改變?yōu)榱?意味著積分點(diǎn)上沒(méi)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),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

15、個(gè)單元—最少四個(gè)單元，沙漏將不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)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?。?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(méi)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(jiǎn)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(wèn)題。

16、確認(rèn)用于控制沙漏的偽應(yīng)變能與內(nèi)能之比很小(<1%)。,同樣的載荷和位移 (1000×)。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,在A(yíng)BAQUS/Viewer中，使用Use the X–Y 繪圖功能比較能量。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,使用非協(xié)調(diào)模式單元模擬彎曲 (CPS4I, …)對(duì)于以彎曲為主的問(wèn)題中，這種單元可能是效率最高的實(shí)體單元。計(jì)算

17、費(fèi)用在一階和二階減縮積分單元之間，兼有兩種積分方法的優(yōu)點(diǎn)?？梢哉_的模擬剪切行為—在純彎曲問(wèn)題中沒(méi)有剪切應(yīng)變。在厚度方向，僅用一個(gè)單元就可以模擬彎曲。沒(méi)有沙漏模式；在塑性和接觸問(wèn)題中，工作的很好。如果單元嚴(yán)重扭曲，相對(duì)一階減縮積分單元的優(yōu)勢(shì)將會(huì)減弱；然而，在嚴(yán)重扭曲的條件下，所有單元的精度都會(huì)下降。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,例子：扭曲單元的懸臂梁,平行扭曲,梯形扭曲,ABAQUS/a

18、nalysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),使用連續(xù)體單元模擬彎曲,總結(jié),ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力集中,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力集中,存在應(yīng)力集中的問(wèn)題中，二階單元相對(duì)一階單元的優(yōu)勢(shì)非常明顯；并且二階單元非常適合于模擬（靜態(tài)）裂紋。全積分單元和減縮積分單元都工作得很好。一般減縮積分單元的效率更高—在較低的計(jì)算費(fèi)用的前提下，結(jié)果同全積分單元結(jié)果一樣好，甚至優(yōu)于全積分單元。,ABAQUS/analy

19、sis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),Physical model,一次單元模型—單元表面為直線(xiàn)片斷,二次單元模型—單元表面為二次曲線(xiàn),應(yīng)力集中,相對(duì)一階單元，二階單元可以利用較少的單元捕獲曲邊等幾何特征。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力集中,當(dāng)初始形狀扭曲時(shí)，一階和二階四邊形和六面體單元的精度都會(huì)下降。一階單元對(duì)扭曲的敏感性低于二階單元，因此對(duì)出存在明顯網(wǎng)格扭曲的問(wèn)題，一階單元是更好的選擇。相對(duì)于幾乎所有的其它單元，二階三角形

20、和四面體單元對(duì)于初始的單元形狀敏感性較低；然而，良好形狀的單元將得到更好的結(jié)果。,理想的,好的,壞的,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),elliptical shape,應(yīng)力集中,典型的應(yīng)力集中問(wèn)題， NAFEMS基準(zhǔn)問(wèn)題。下面是采用不同類(lèi)型單元進(jìn)行分析得到的結(jié)果。,P,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力集中,一階單元(包括非協(xié)調(diào)模式單元)在應(yīng)力集中問(wèn)題中的效果較差。二階單元，如 CPS6, CPS8,

21、和CPS8R可以得到較好的結(jié)果。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)力集中,在應(yīng)力集中區(qū)域，形狀良好、二階、減縮積分四邊形和六面體單元將得到較好的精度。在這些區(qū)域，扭曲單元將降低精度。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),接觸,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),接觸,幾乎所有的單元類(lèi)型都可以很好的處理接觸問(wèn)題，但有以下幾個(gè)例外：二階四邊形/六面體單元“常規(guī)的” 二階三角形/四面體（與名字以“M”

22、結(jié)尾的、“修正的”三角形/四面體單元相對(duì)應(yīng)）單元、二階楔形單元和六節(jié)點(diǎn)殼和薄膜單元。這些單元將導(dǎo)致收斂困難。,對(duì)于二階四面體、楔型體和六節(jié)點(diǎn)殼和薄膜單元，由壓力載荷轉(zhuǎn)化為一致節(jié)點(diǎn)力的方向與基于罰函數(shù)接觸算法的經(jīng)典硬接觸的節(jié)點(diǎn)力方向不一致。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),不可壓材料,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),不可壓材料,許多非線(xiàn)性問(wèn)題包含不可壓材料(n = 0.5) 和幾乎不可壓材料(n > 0

23、.475)。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(guò)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(chǎng)過(guò)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

24、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(mǎn)足這些約束。網(wǎng)格被過(guò)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體積約束。帶有幾乎不可壓材料的許多問(wèn)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

25、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(wèn)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(kù)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，比如橡膠。減縮積分的精細(xì)網(wǎng)格仍然會(huì)表現(xiàn)出體積鎖閉問(wèn)題。當(dāng)彈塑性材料中的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)塑性范圍后，將會(huì)出現(xiàn)

26、這樣的問(wèn)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(huì)出現(xiàn)過(guò)度約束的問(wèn)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

27、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(méi)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(tái)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(wèn)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(duì)于不可壓材料或幾乎不可壓材料仍然會(huì)產(chǎn)生

28、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?jí)毫Φ某Ｒ?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、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(wèn)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

29、階三角形單元(CAX6, CPE6, CPS6)可能會(huì)顯示出類(lèi)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(wèn)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可壓材料。 在有限變形問(wèn)題中，這些單元表現(xiàn)強(qiáng)勁。一

30、致的接觸壓力可以使這些單元精確的模擬接觸問(wèn)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(mǎn)意的。粗略的網(wǎng)格可能會(huì)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(wèn)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

31、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(wèn)題，在結(jié)構(gòu)的厚度方向最少需要四個(gè)單元。對(duì)于給定類(lèi)型的問(wèn)題，可以積累其它的指導(dǎo)原則。,ABAQUS/analysis_單元選擇標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格生成,最好進(jìn)行單元收斂性研究。用逐步細(xì)化的網(wǎng)格模擬問(wèn)