Abaqus实体单元01 | 概述

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Abaqus为用户提供了丰富的单元库,以满足不同类型问题的仿真需求。

一般单元选择涉及到以下几方面问题:单元族类(实体单元、壳单元、膜单元、离散刚体单元、梁单元、桁架单元等);单元节点数(涉及到单元形状、单元边的几何阶次);单元的自由度(涉及到位移、旋转自由度、温度自由度、电势能等自由度);单元定制类型(如小应变壳单元、有限应变壳单元);单元的积分类型(缩减积分单元、完全积分单元);还有一些可选设置(如非协调单元、改进的表面应力可视化单元、杂交单元等)。一般用户要根据自己的需要,选择不同的单元类型。

操作路径为:Mesh--> Element Type... 或者点击以下图标进行操作

Abaqus对其所有单元有独特的命名方式:

我们之前介绍了梁单元,本次开始介绍实体单元。Abaqus提供的实体单元适用于以下分析类型:

平面应力问题 (适用于薄壁结构、单元为:CPS*

平面应力单元有以下特性:在这些单元里沿厚度方向正应力、以及剪切应力为0;当有大应变时,会使用材料不可压缩假定来计算当前单元厚度。

平面应变问题(适用于深度方向很厚的结构、单元为:CPE*

平面应变单元有以下特性:在此类单元中,沿厚度方向的正应变与剪切应变为0. 适用于大坝截面应力分析,压紧的橡胶垫的应力分析等。

广义平面应变问题( 应用于Abaqus/Standard、单元类型:CPEG*)

广义平面应变问题,用于双平面绑定建模;两个平面可以相对移动或者转动;同时假定模型厚度梯度变化很小。主要应用场景如下:

问题描述

建模

绑定面有相对转角后的计算结果

轴对称问题:平面柱坐标 R, Z 方向对应原笛卡尔坐标 X,Y 方向;平面柱坐标Z轴为对称轴;该类单元适用于施加轴对称载荷的轴对称模型分析。其单元类型为:CAX*

在使用轴对称单元时,所施加的点载荷的幅值必须是经过周向积分后的值,计算得到的RF反力等结果也是经过周向积分后获得的。至于分布载荷与常规分布载荷一致,为单位面积或单位体积所承受的载荷。

具有非轴对称响应的轴对称问题,其单元类型为:CAXA*。该类型的单元用于模拟轴对称结构承受非轴对称载荷的响应。可以用于非线性分析;经常用于含有螺旋线的连接器,如饮用水瓶口。适用于相对厚壁结构,对于薄壁圆筒、球面结构等由于不稳定而造成的高阶模态的情况是不适用的。该类单元最多可使用4阶傅里叶模态用于模拟圆周方向变形。

三维实体单元,单元类型为:C3D*Abaqus提供了广泛的3维实体单元。

如整个发动机采用四面体单元建模


圆柱单元,单元类型:CCL*。用于初始为圆(圆环)形的结构在承受一般、非轴对称载荷作用下的响应。

使用圆柱单元可以用非常少的网格对圆(圆环)形结构进行保证一定精度的建模。如以下轮胎模型,用少量圆柱单元(角度跨度可达0~180度)即可完成大部分建模工作,对于关注度比较高的区域(与地面接触区域)可以采用实体单元精细化建模。

圆柱单元从单元几何形态上也有一阶单元与二阶单元之分。区别解释二阶单元不仅周向上同一阶单元一样每条边上有三个节点,其在轴向上的边上也有三个节点。


圆柱单元在保证计算精度的前提下,大大提高了计算效率。

连续实体壳单元,单元类型:CSS8。连续实体壳单元(六面体壳单元)是一阶连续壳单元,采用完整的三维本构。该单元类型主要用于模拟薄壁结构,并且支持复合材料薄壁结构。特别适用于需要求解结构厚度方向上的非弹性响应的情况。求解成本上,比常规实体单元建模计算成本更经济。

CSS8单元能够填充在两种不兼容单元之间,如实体单元C3D8I与连续壳单元SC8R之间。CSS8单元相较于实体单元C3D8I具有更好的弯曲性能。

在使用连续实体壳单元的时候,要注意单元的法向定义。如果定义不正确,会影响计算结果。


无限单元,单元类型:CIN*。当需要模拟涉及到无限或者大尺度问题的时候,可以应用Abaqus提供的无限单元与常规单元共同建模。Abaqus提供的无限单元种类有:轴对称无限单元、平面无限单元、三维无限单元。

选取无限单元第二节点时需要注意,确保无限单元边的延长线不相交:

目前Abaqus/CAE不支持无限单元建模,需要使用文本编辑器在INP模型文件中进行编辑建模。

一般会在常规单元与无限元之间定义阻尼,用以消除常规单元与无限单元界面上的反射波能量:

下图中间模型采用无限单元建模,在保证模型规模不大的前提下,有效的阻止应力波反射回常规单元内部。

Abaqus除了提供以上实体单元,还提供了很多特殊的单元。如:刚体单元、质量点单元、惯性单元、粘结单元、连接器单元、弹簧单元、垫片单元、声学单元、面单元、欧拉单元、锁链单元、用户自定义单元(用户子程序)等。


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