Abaqus实体单元 | 02 沙漏、弯曲与应力集中

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下面对建模过程中由于不同单元选择,可能出现的问题进行一下总结。

01. 沙漏现象

   

对于一阶缩减积分四边形与六面体单元,其沙漏模式可以传播。

Abaqus提供了沙漏控制的方法:

对于弹性弯曲以及粗网格的情况,采用增强沙漏控制的方法能够计算得到相对高精度的结果;

对于塑性弯曲问题, 采用基于刚度的沙漏控制可以得到比较好的计算结果。

对于弯曲问题,在厚度方向上通过增加单元层数,可以有效的提高计算结果精度。

在使用沙漏控制的模型中,要确保计算结果中伪能量相对于总内能比值控制在(<1%)范围内:

02. 不可压缩材料(体积锁定)

许多非线性问题涉及不可压缩材料(泊松比 v=0.5)以及几乎不可压缩的材料(泊松比 v>0.475)。

传统的有限元网格往往由于体积锁定而表现出过度的刚性行为,当材料受到高度约束时,这种情况最为严重。

对于采用该类材料的模型,可以通过使用以下方法处理:

缩减积分单元(C3D*R);

杂交单元 (C3D*H);

改进的表面应力可视化四面体单元(C3D8S);

03. 弯曲与剪切锁定

对于二阶全积分与缩减积分单元,均可以很好的模拟弯曲问题。

对于采用一阶全积分实体单元进行弯曲建模,可以看到在积分点位置能够检测到剪切应变,实际上结构中不存在剪切应变。这种行为导致能量转化为单元剪切势能而非单元弯曲势能,以上情况会造成单元剪切锁定现象。

为了使用一阶单元也可以进行弯曲建模,可以通过采用缩减积分单元,同时在弯曲厚度方向上定义大于四层单元的方法实现。

除此之外,采用非协调单元(C3D*I)也可以有效的消除寄生剪应力,获得精确的弯曲工况计算结果。

04. 应力集中问题

在应力集中的问题中,二阶单元明显优于一阶单元,非常适合于分析(稳态)裂纹。二阶完全积分和缩减积分单元都可以很好地工作。缩减积分单元往往更有效——结果通常与完全积分单元一样好或更好,并且计算成本更低。

05. 二阶精度控制

对于存在多周旋转的情况,特别是当旋转机构的转动圈数大于5圈的情况下,采用二阶精度控制能够得到较高的计算精度。

旋转5圈之后一阶精度控制出现不稳定的情况

06. 对应工况单元选择列表

对于应对不同情况的单元选择, 提供以下列表,方便用户进行选择:



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