发布时间 : 星期二 文章abaqus建模流程 - 学习笔记更新完毕开始阅读bce42778bceb19e8b9f6ba35
其缺点如下：
? 需要划分较细的网格来克服沙漏问题。
? 如果希望以应力集中部位的节点应力作为分析指标，则尽量不要使用线性减缩积分单元，而应使用二次单元，因为线性缩减积分单元只在单元的中心有一个积分点，相当于常应力单元，它在积分点上的应力结果是相对精确的，而经过外插值和平均后得到的节点应力则不精确。如果在应力集中部位进行了网格细化，使用二次减缩积分单元与二次完全积分单元得到的应力结果相差不大，而二次减缩积分单元的计算时间相对较短。
Note：在查看模型的应力结果时有两种选择：
? 查看节点上的应力：这是通常用的方法，其优点是简单方便，但事实上，后处理中得到的节点应力是对单元积分点上的应力进行外插值和平均后得到的并不精确；
? 查看单元积分点上的应力：这是ABAQUS所推荐的方法。线性缩减积分单元只有一个积分点，可以很方便地查看积分点上的分析结果，但其他类型的单元有多个积分点，就需要详细了解节点的编号顺序，并根据模型的实际情况来决定查看哪个积分点，这一过程很烦琐。另外要注意，单元积分点上的应力值往往不是应力集中区城的最大应力。
(用户可以自己在上述两种方法中做出选择，需要注意的是，如果希望查看节点上的应力，就尽量不要使用线性缩减积分单元；如果使用了线性缩减积分单元，就应该查看单元积分点上的分析结果，并且要在应力变化剧烈的部位划分足够细的网格。如果外推应力值与积分点应力值差别很大，说明单元间应力变化剧烈，单元网格过于粗糙，计算的应力不够精确。这种外推应力误差会因为单元网格细化而减小，但总是存在。所以在使用单元变量的节点值时要谨慎。默认的应力不变量的计算方法是computer scalars before averaging（先不变量再平均），得到的节点应力偏大，作为工程分析的结果会更安全；也可以在result options中设置为computer scalars after averaging（先平均再不变量），得到的节点应力偏小。事实上只有单元积分点上的应力结果是相对精确的，一般在所关心的高应力部位细化网格，使用默认设置即可。更广义地说，有限元作为一种数值计算方法，其本身就是不精确的。 f) 二次缩减积分（quadratic-reduced-integration）单元
对于Quad单元或Hex单元，可以在 Element Type 对话框中将单元类型设置为二次减缩积分单元，如 CPS8R (8节点四边形二次平面应力减缩积分单元）和C3D20R(20节点六面体二次缩减积分中元），这种单元不但保待了前面介绍的线性缩减积分单元的优点，而且还具有以下特性： ? 即使不划分很细的网格也不会出现严重的沙漏问题 ? 即使在复杂应力状态下，对自锁问题也不敏感 但使用这种单元时需要注意以下问题： ? 不能在接触分析中使用 ? 不适于大应变问题
? 存在与线性减缩积分单元相类似的问题，由于积分点少，得到的节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。
g) 非协调模式（ incompatible modes) 单元
对于Quad单元或Hex单元，可以在Element Type 对话框中将单元类型设为非协调模式单元。例如CPS4（4节点四边形双线形平曲应力非协调单元）和C3D8I（8节点六面体线性非协调模式单元）。仅在 ABAQUS/Standard中有非协调模式单元。其目的是克服在线性完全积分单元中的剪切自锁问题。
非协调摸式单元的优点如下：
? 克服了剪切自锁问题，在单元扭曲比较小的情况下，得到的位移和应力结果很精确；
? 在弯曲问题中，在厚度方向上只需很少的单元，就可以得到与二次单元相当的结果，而计算成本却明显降低；
? 使用了增强变形梯度的非协调模式，单元交界处不会重叠和开洞，因此很容易扩展到非线性、有限应变的位移。
但使用这种单元时需注意，如果所关心部位的单元扭曲比较大，尤其是出现交错扭曲时，分析精度会降低。
h) Tri单元和Tet单元
使用Tri单元和Tet单元时应注意以下问题：
? 线性Tri单元和Tet单元的精度很差，所以不要在模型中所关心的部位及其附近区域使用。
? 二次 Tri 单元和 Trt 单元精度较高，而且能模拟任意的几何形状，但计算代价比Quad单元或Hex单元大，因此如果模型中能够使用 Quad单元或Hex单元，尽量不要使用Tri 单元或Trt单元。 ? 二次Trt单元（C3D10) 适于ABAQUS/standard中的小位移无接触问题；修正的二次Tet单元（C3D10M) 适于ABAQUS/Explicit，以及 ABAQUS/standard中的大变形和接触问题。 ? 使用自由网格不易通过布置种子来控制实体内部的单元大小。 i) 杂交(hybrid) 单元
在ABAQUS/standard中，每一种实体单元（包括所有缩减积分和非协调模式单元）都有其相应的杂交单元，用于不可压縮材料（泊松比为0.5) 或近似不可压缩材料（泊松比大于0.475)，橡胶就是一种典型的不可压缩材料。除了平面应力问题之外，不能用普通单元来模拟不可压缩材料的响应，因为此时单元中的压应力是不确定的。杂交单元在它的名字中含有字母H。ABAQUS/Explicit 中没有杂交单元。 j) 混合使用不同类型的单元
当三维实体几何形状较复杂时，无法在整个实体上使用结构化网格或扫掠网格划分技术，得到Hex单元网格，这时一种常用的做法是对于实体不重要的部分使用自由网格划分技术，生成Tet单元网格，而对于所关心的部分采用结构化网格或扫掠网格生成 Hex 单元网格，在生成这样的网格时，ABAQUS会给出提示将生成非协调的网格，在不同单元类型的交界处将自动创建绑定（tie）约束。
需要注意的是，在不同单元类型网格的交界处.，即使单元角部节点是重合的，仍然有可能出现不连续的应力场，而且在交界处的应力可能大幅度地增大。如果在实体中混合使用线性和二次单元，也会出现类似的问题。因此在混合使用不同类型的单元时，应确保其交界处远离所关心的区域，并仔细检查分析结果 是否正确。
对于无法完全采用Hex单元网格的实体，还可以使用以下方法：
? 对整个实体划分Tet 单元网格，使用二次单元C3D10或修正的二次单元 C3D10M，同样可以达到所需的精度，只是计算时间较长。
? 改变实体中不重要部位的几何形状，然后对整个实体采用Hex单元网格。 k)
选择三维实体单元类型的基本原则
计算代价，提高计算精度。当几何形状复杂时，也可以在不重要的区域使用少量楔形（Wedge) 单元。 ? 如果使用了自由网格划分技术，Tet单元的类型应选择二次单元。在ABAQUS/Explicit中应选择修正的 Tet单元C3D10M，在,ABAQUS/Standard中可以选择 C3D10，但如果有大的塑性变形，或模型中存在接触，而且使用的是默认的“硬”接触关系，则也应选择修正的Tet单元 C3D10M。
? ABAQUS的所有单元均可用于动态分析，选取单元的一般原则与静力分析相同。但在使用 ABAQUS/Explicit 模拟冲击或爆炸荷载时，应选用线性单元，因为它们具有集中质量公式，模拟应力波的效果优于二次单元所采用的一致质量公式。
如果使用的求解器是 ABAQUS/Standard, 在选择单元类型时还应注意以下方面：
? 对于应力集中问题，尽量不要使用线性减缩积分单元，可使用二次单元来提高精度。如果在应力集中部位进行了网格细化，使用二次减缩积分单元与二次完全积分单元得到的应力结果相差不大，而二次减缩积分单元的计算时间相对较短。
? 对于弹塑性分析，如果材料是不可压缩性的（例如金属材料），则不能使用二次完全积分单元（C3D20），否则会出现体积自锁问题，也不要使用二次Tri 单元或Tet单元。推荐使用的是修正的二次Tri单元或Tet单元(C3D10M)、非协调单元（C3D8I），以及线性减缩积分单元（C3D8R）。如果使用二次减缩积分? 对于三维区域，尽可能采用结构化网格划分技术或扫掠网格划分技术，从而得到Hex 单元网格，减小
单元，当应变超过20%-40%时要划分足够密的网格。
? 塑性材料和接触面上都不能用 C3D20R 和 C3D20 单元，这可能是你收敛问题的主要原因。如果需要得到应力，可以使用 C3D8I (在所关心的部位要让单元角度尽量近 90 度)，如果只关心应变和位移，可以使用 C3D8R, 几何形状复杂时，可以使用 C3D10M。
? 如果模型中存在接触或大的扭曲变形，则应使用线性Quad或Hex单元，以及修正的二次Tri单元或Tet 单元，而不能使用其他的二次单元。
? 对于以弯曲为主的问题，如果能够保证在所关心部位的单元扭曲较小，使用非协调单元（例如C3D8I单元）可以得到非常精确的结果。
? 除了平面应力问题之外，如果材料是完全不可压缩的（例如橡胶材料），则应使用杂交单元；在某些情况下，对于近似不可压缩材料也应使用杂交单元。 3)
选择壳单元的类型
如果一个薄壁构件的厚度远小于其典型整体结构尺寸（一般为小于 1/10)，并且可以忽略厚度方向的应力，就可以用壳单元来模拟此结构。壳体问题可以分为两类：薄壳问题(忽略横向剪切变形）和厚壳问题（考虑横向剪切变形）。对于单一各向同性材料，一般当厚度和跨度的比值小于1/15 时，可以认为是薄壳；大于 1/15 时，则可以认为是厚壳。对于复合材料，这个比值需要更小一些。 ABAQUS 的壳单元可以有多种分类方法，按照薄壳和厚壳可划分为： ? 通用目的（general-purpose) 壳单元：此类单元对薄壳和厚壳问题均有效。
? 特殊用途(special-purpose) 壳单元：包括纯薄壳 (thin-only) 单元和纯厚壳 ( thick-only) 单元。 根据单元的定义方式，还可以将 ABAQUS 壳单元划分为：
? 常规（conventional) 壳单元：通过定义单元的平面尺寸、表面法向和初始曲率来对参考面进行离散，只能在截面厲性中定义壳的厚度，而不能通过节点来定义壳的厚度。
? 连续体（continuum) 壳单元：类似于三维实体单元，对整个三维结构进行离散。 选择壳单元的类型时可以遵循以下原则：
? 对于薄壳问题，常规壳单元的性能优于连续体壳单元；而对于接触问题，连续体壳单元的计算结果更加精确，因为它能在双面接触中考虑厚度的变化。
? 如果需要考虑薄膜模式或弯曲模式的沙漏问题，或模型中有面内弯曲，在 ABAQUS/Standard 中使用S4单元（4节点四边形有限薄膜应变线性完全积分壳单元）可以获得很高的精度。 ? S4R单元（4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元）性能稳定，适用范围很广。
? S3/S3R 单元（3节点三角形有限薄膜应变线性壳单元）可以作为通用壳单元使用。由于单元中的常应变近似，需要划分较细的网格来模拟弯曲变形或高应变梯度。
? 对于复合材料，为模拟剪切变形的影响，应使用适于厚壳的单元（例如 S4、S4R、S3、S3R、S8R），并要注意检查截面是否保持平面。
? 四边形或三角形的二次売单元对剪切自锁或薄膜自锁都不敏感，适用于一般的小应变薄壳。
? 在接触模拟中，如果必须使用二次单元，不要选择 STRI65单元（三角形二次壳单元），而应使用 S9R5 单元（9节点四边形壳单元）。
? 如果模型规模很大且只表现几何线性，使用 S4R5单元（线性薄壳单元）比通用壳单元更节约计算成本。 ? 在ABAQUS/Explicit中，如果包含任意大转动和小薄膜应变，应选用小薄膜应变单元。 4)
选择梁单元的类型
如果一个构件横截面的尺寸远小于其轴向尺度（一般的判据为小于1/10)，并且沿长度方向的应力是最重要的因素，就可以用梁单元来模拟此结构。ABAQUS中的所有梁单元都是梁柱类单元，即可以产生轴向变形、弯曲变形和扭转变形。Timoshenko 梁单元还考虑了横向剪切变形的影响。B21 和 B31 单元（线性梁单元）以及B22和 B32单元（二次梁单元）是考虑剪切变形的Timoshenko梁单元，它们既适用于模拟剪切变形起重要作用的深梁，又适用于模拟剪切变形不太重要的细长梁。这些单元的横截面特性与厚壳单元的横截面特性相同。
ABAQUS/Standard 中的三次单元B23和B33被称为Euler-Bernoulli 梁单元，它们不能模拟剪切变形，但适合于模拟细长的构件（横截面的尺寸小于轴向尺度的1/10 )。由于三次单元可以模拟沿长度方向的三阶变量，所以只需划分很少的单元就可以得到很精确的结果。
选择梁单元的类型可以遵循以下原则。
? 在任何包含接触的问题中，应使用B21或B31单元（线性剪切变形梁单元）。 ? 如果横向剪切变形很重要，则应采用B22和B32单元（二次Timoshenko梁单元）。
? 在ABAQUS/Standard 的几何非线性模拟中，如果结构非常刚硬或非常柔软，应使用杂交单元，例如B21H和B32H单元。
? 如果在 ABAQUS/Standard中模拟具有开口薄壁横截面的结构，应使用基于横截面翘曲理论的梁单元，例如B310S、B320S单元。 5) ?
划分网格的算法： Medial Axis （中轴）算法
首先把要划分网格的区域分为一些简单的区域，然后使用结构化网格划分技术来为这些简单的区域划分网格。Medial Axis 算法具有以下特性：
a) 使用 Medial Axis 法更容易得到单元形状规则的网格，但网格与种子的位置吻合得较差。
b) 在二维模型中使用Medial Axis算法时，选择 Minimize the mesh transition（最小化网格的过渡）可以
提髙网格的质量，但是生成的网格更容易偏离种子。
c) 如果在模型的一部分边上定义了受完全约束的种子，Medial Axis算法会自动为其他的边选择最佳的种
子分布。
d) MedialAxis算法不支持由CAD模型导人的不精确模型 (imprecise part) 和虚拟拓扑( virtual topology ) ?
Advancing Front（波前）算法
Advancing Front算法首先在边界上生成四边形网格，然后再向区域内部扩展，它具有以下特性： a) 使用Advancing Front算法得到的网格可以与种子的位置很好地吻合，但在较窄的区域内，精确匹配每
粒种子可能会使网格歪斜。
b) 使用 Advancing From算法更容易得到单元大小均匀的网格。有些情况下，单元尺寸均匀很重要，例如
在ABAQUS/Explicit中，网格中的小单元会限制增量步长。 c) 使用Advancing From算法容易实现从粗网格到细网格的过渡。 d) Advancing From算法支持不精确模型和二维模型的虚拟拓扑。
在实际应用中，具体选择哪种算法更好，往往需要自己去尝试。一般情况下，种子布置得较密，使用Advancing From算法得到的单元大小更均匀，而且能与种子的位置精确地匹配；当种子布置得较稀疏时，使用MedialAxis算法得到的单元形状更加规则，但没有准确地匹配种子的位置，Advancing From算法准确地匹配了种子的位置，但因此导致单元形状歪斜。 （5）划分单元
划分网格失败可能有多种原因，例如：
1) 几何模型有问题，例如模型中有自由边或很小的边、面、尖角、缝隙等 2) 种子布置得太稀疏。 （6）检查网格质量
在Mesh功能模块中点击左侧工具区中的 (Verify Mesh)，可以选择部件、实体、几何区域或单元，检查其网格的质量，获得节点和单元信息。选择Analysis Checks (分析检查）可以检查分析过程中会导致错误或警告信息的单元。
在开始模拟时，可以先简单地划分几何粗网格，通过理解粗网格模拟的结果（高应力区），然后在适当的区域细分网格。预测准确的应力比计算准确的位移需要更加细化的网格。
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