Abaqus中实体单元的应用

2017-01-20 by:CAE仿真在线来源:互联网

ABAQUS中存在着丰富的单元类型,应用广泛,下面主要介绍一下ABAUQS实体单元以及其应用。

ABAQUS实体单元大体可分为完全积分、减缩积分、非协调以及杂交这四种常见的单元模式。按阶次可分为一阶(线性)单元和二阶单元。

(1)完全积分单元:单元具有规则形状(边是直线并且边与边相交成直角)时, 所用的Gauss积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分。

完全积分的线性单元在每一个方向上采用2个积分点;

完全积分的二次单元在每一个方向上采用3个积分点。如图

不足:完全积分的线性单元存在“剪切自锁”问题,原因是线性单元的边不能弯曲。在复杂应力状态下,完全积分的二次单元也有可能发生剪切自锁。

(2)减缩积分单元:减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点。

完全积分的线性单元只在单元的中心有一个积分点

不足:线性减缩积分单元存在“沙漏模式”的数值问题,有可能过于柔软。

ABAQUS通过绘制伪应变能(ALLAE)和内能(ALLIE)来评价沙漏模式对计算结果的影响。

(3)非协调单元:

优点:可以克服完全积分,一阶单元中的剪力自锁问题。

特点:在一阶单元中引入一个增强单元变形梯度的附加自由度。这种对变形梯度的增强允许一阶单元在单元域上对于变形梯度有一个线性变化。

不足:对单元的扭曲很敏感,在使用时必须小心以确保单元扭曲是非常小的。

(4)杂交单元:

应用:当材料行为是不可压缩(泊松比=0.5)或非常接近于不可压缩(泊松比>0.475)时,如橡胶材料,采用杂交单元。

特点:对于具有不可压缩材料性质的任何单元,一个纯位移的数学公式是不适宜的,压应力不能由节点位移计算。杂交单元包含一个可以直接确定单元压应力的附加自由度,节点的位移场则主要用来计算偏应变和偏应力。

基于ABAQUS中如此丰富详细的实体单元划分,在使用时应尤其注意。

对于三维问题应尽量地采用六面体单元(砖型)。它们会以最低的成本给出最好的结果。当几何形状复杂时,可采用四面体单元和楔形单元。这些单元C3D4和C3D6的一阶模式是较差的单元(需要细化网格以取得较好的精度)。

某些前处理包含了自由划分网格算法,用四面体单元划分任意几何体的网格。对于小位移无接触的问题,在ABAQUS/Standard中的二次四面体单元(C3D10)能够给出合理的结果。这个单元的另一种模式是修正的二次四面体单元(C3D10M),它适用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit,对于大变形和接触问题,这种单元是强健的,展示了很小的剪切和体积自锁。但是,无论采用何种四面体单元,所用的分析时间都长于采用等效网格的六面体单元。

下面给出了ABAQUS/Standard中应用实体单元的一些建议:

首先,除非需要模拟非常大的应变或者模拟一个复杂的、接触条件下不断变化的问题,对于一般的分析工作,应采用二次、减缩积分单元(CAX8R,C3D20R等)。

其次,在存在应力集中的局部区域,采用二次、完全积分单元(CAX8,C3D20等)。它们以最低的成本提供了应力梯度的最好解答。

然后,对于接触问题,应采用细化网格的线性、减缩积分单元或者非协调单元(CAX4I,C3D8I等)。

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