Abaqus中选择壳单元类型的基本原则

以下文章来源于力学与Abaqus仿真，作者Jinfeng CAO

介绍力学基础知识、使用Abaqus软件进行有限元分析的基本操作、非线性分析不收敛的原因和解决方法、Python语言在Abaqus中的应用（自动建模、自动后处理、定制插件、定制开发等），在Abaqus软件中进行含橡胶材料有限元分析的要点

本文已获得曹金凤老师公众号“力学与Abaqus仿真”授权，如果想转载，请联系作者。

作者简介：曹金凤，工程力学博士，17年Abaqus有限元分析经验，出版畅销书《Abaqus有限元分析常见问题解答》和《Python语言在Abaqus中的应用》两部，组织并主讲Abaqus软件基础培训、Python语言二次开发培训、橡胶材料有限元分析培训50场，学员近千人。

如果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，按照薄壳和厚壳来划分，可以分为：

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，只能在截面属性中定义壳的厚度，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（图1）的类型时可以遵循以下原则：

图1 定义壳单元类型

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壳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。