Abaqus單元小結(jié)

2017-04-20 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1、單元表征
單元族:單元名字里開(kāi)始的字母標(biāo)志著這種單元屬于哪一個(gè)單元族。
C3D8I是實(shí)體單元;
S4R是殼單元;
CINPE4是無(wú)限元;
梁?jiǎn)卧?
剛體單元;
膜單元;
特殊目的單元,例如彈簧,粘壺和質(zhì)量;
桁架單元。
自由度dof(和單元族直接相關(guān)):每一節(jié)點(diǎn)處的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)
1 1方向的平動(dòng)
2 2方向的平動(dòng)
3 3方向的平動(dòng)
4 繞1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
5 繞2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
6 繞3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)
7 開(kāi)口截面梁?jiǎn)卧穆N曲
8 聲壓或孔隙壓力
9 電勢(shì)
11 度(或物質(zhì)擴(kuò)散分析中歸一化濃度)
12+梁和殼厚度上其它點(diǎn)的溫度
軸對(duì)稱單元
1 r方向的平動(dòng)
2 z方向的平動(dòng)
6 r-z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)
節(jié)點(diǎn)數(shù):決定單元插值的階數(shù)
數(shù)學(xué)描述:定義單元行為的數(shù)學(xué)理論
積分:應(yīng)用數(shù)值方法在每一單元的體積上對(duì)不同的變量進(jìn)行積分。大部分單元采用高斯積分方法計(jì)算單元內(nèi)每一高斯點(diǎn)處的材料響應(yīng)。單元末尾用字母“R”識(shí)別減縮積分單元,否則是全積分單元。
ABAQUS擁有廣泛適用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的龐大單元庫(kù)。單元類型的選擇對(duì)模擬計(jì)算的精度和效率有重大的影響;
節(jié)點(diǎn)的有效自由度依賴于此節(jié)點(diǎn)所在的單元類型;
單元的名字完整地標(biāo)明了單元族、單元的數(shù)學(xué)描述、節(jié)點(diǎn)數(shù)及積分類型;
所用的單元都必須指定單元性質(zhì)選項(xiàng)。單元性質(zhì)選項(xiàng)不僅用來(lái)提供定義單元幾何形狀的附加數(shù)據(jù),而且用來(lái)識(shí)別相關(guān)的材料性質(zhì)定義;
對(duì)于實(shí)體單元,ABAQUS參考整體笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)定義單元的輸出變量,如應(yīng)力和應(yīng)變?？梢杂?ORIENTATION選項(xiàng)將整體坐標(biāo)系改為局部坐標(biāo)系;
對(duì)于三維殼單元,ABAQUS參考建立在殼表面上的一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)定義單元的輸出變量?？梢杂?ORIENTATION選項(xiàng)更改這個(gè)參考坐標(biāo)系。

2.實(shí)體單元(C)

實(shí)體單元可在其任何表面與其他單元連接起來(lái)。
C3D:三維單元
CAX:無(wú)扭曲軸對(duì)稱單元,模擬3600的環(huán),用于分析受軸對(duì)稱載荷作用,具有軸對(duì)稱幾何形狀的結(jié)構(gòu);
CPE:平面應(yīng)變單元,假定離面應(yīng)變?chǔ)?3為零,用力模擬厚結(jié)構(gòu);
CPS:平面應(yīng)力單元,假定離面應(yīng)力σ33為零,用力模擬薄結(jié)構(gòu);
廣義平面應(yīng)變單元包括附加的推廣:離面應(yīng)變可以隨著模型平面內(nèi)的位置線性變化。這種數(shù)學(xué)描述特別適合于厚截面的熱應(yīng)力分析。
可以扭曲的軸對(duì)稱單元:用來(lái)模擬初始時(shí)為軸對(duì)稱的幾何形狀,且能沿對(duì)稱軸發(fā)生扭曲。這些單元對(duì)于模擬圓柱形結(jié)構(gòu),例如軸對(duì)稱橡膠套管的扭轉(zhuǎn)很有用。
反對(duì)稱單元的軸對(duì)稱單元:用來(lái)模擬初始為軸對(duì)稱幾何形狀的反對(duì)稱變形。適合于模擬像承受剪切載荷作用的軸對(duì)稱橡膠支座一類的問(wèn)題。
如果不需要模擬非常大的應(yīng)變或進(jìn)行一個(gè)復(fù)雜的,改變接觸條件的問(wèn)題,則應(yīng)采用二次減縮積分單元(CAX8R,CPE8R,CPS8R,C3D20R)
如果存在應(yīng)力集中,則應(yīng)在局部采用二次完全積分單元(CAX8,CPE8,CPS8,C3D20等)。
對(duì)含有非常大的網(wǎng)格扭曲模擬(大應(yīng)變分析),采用細(xì)網(wǎng)格劃分的線性減縮積分單元(CAX4R,CPE4R,CPS4R,C3D8R等)
對(duì)接觸問(wèn)題采用線性減縮積分單元或非協(xié)調(diào)元(CAX4I,CPE4I,CPS4I,
C3D8I)的細(xì)網(wǎng)格劃分。
如果在模型中采用非協(xié)調(diào)元應(yīng)使網(wǎng)格扭曲減至最小。
三維情況應(yīng)盡可能采用塊狀單元(六面體)。當(dāng)幾何形狀復(fù)雜時(shí),完全采用塊體單元構(gòu)造網(wǎng)格會(huì)很困難,因此可能有必要采用稧形和四面體單元,但盡量少用,并遠(yuǎn)離需要精確求解的區(qū)域。
一些前處理程序包括網(wǎng)格劃分方法,它們可用四面體單元構(gòu)造任意形狀的網(wǎng)格。只要采用二次四面體單元(C3D10),其結(jié)果對(duì)小位移問(wèn)題應(yīng)該是合理的。
小結(jié):
在實(shí)體單元中所用的數(shù)學(xué)公式和積分階數(shù)對(duì)分析的精度和花費(fèi)有顯著的影響;
使用完全積分單元,尤其是一階(線性)單元,容易形成自鎖現(xiàn)象,正常情況不用;
一階減縮積分單元容易出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象;充分的單元細(xì)化可減小這種問(wèn)題;
在分析中如有彎曲位移,且采用一階減縮積分單元時(shí),應(yīng)在厚度方向至少用4個(gè)單元;
沙漏現(xiàn)象在二階減縮積分單元中較少見(jiàn),一般問(wèn)題應(yīng)考慮應(yīng)用這些單元;
非協(xié)調(diào)單元的精度依賴于單元扭曲的量值;
結(jié)果的數(shù)值精度依賴于所用的網(wǎng)格,應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化研究以確保該網(wǎng)格對(duì)問(wèn)題提供了唯一的解答。但是應(yīng)記住使用一個(gè)收斂網(wǎng)格不能保證計(jì)算結(jié)果與問(wèn)題的實(shí)際行為相匹配:它還依賴于模型其他方面的近似化和理想化程度;
通常只在想要得到精確結(jié)果的區(qū)域細(xì)劃網(wǎng)格;
ABAQUS具有一些先進(jìn)特點(diǎn)如子模型,它可以幫助對(duì)復(fù)雜模擬得到有用的結(jié)果。

3.殼單元(S)

可以模擬有一維尺寸(厚度)遠(yuǎn)小于另外兩維尺寸,且垂直于厚度方向的應(yīng)力可以忽略的結(jié)構(gòu)。
一般殼單元:S4R,S3R,SAX1,SAX2,SAX2T。對(duì)于薄殼和厚殼問(wèn)題的應(yīng)用均有效,且考慮了有限薄膜應(yīng)變;
薄殼單元:STRI3,STRI35,STRI65,S4R5,S8R5,S9R5,SAXA。強(qiáng)化了基爾霍夫條件,即:垂直于殼中截面的平面保持垂直于中截面;
厚殼單元:S8R,S8RT。二階四邊形單元,在小應(yīng)變和載荷使計(jì)算結(jié)果沿殼的跨度方向上平緩變化的情況下,比普通單元產(chǎn)生的結(jié)果更精確;
對(duì)于給定的應(yīng)用,判斷是屬于薄殼還是厚殼問(wèn)題,一般:如果單一材料制造的各向同性殼體的厚度和跨度之比在1/20-1/10之間,認(rèn)為是厚殼問(wèn)題;如果比值小于1/30,則認(rèn)為是薄殼問(wèn)題;若介于1/30-1/20之間,則不能明確劃分。由于橫向剪切柔度在復(fù)合材料層合殼結(jié)構(gòu)中作用顯著,故比值(厚跨比)將遠(yuǎn)小于“薄”殼理論中采用的比值。具有高柔韌中間層的復(fù)合材料(“三明治”復(fù)合材料)有很低的橫向剪切剛度并且?guī)缀蹩偸潜挥脕?lái)模擬“厚”殼;
橫向剪切力和剪切應(yīng)變存在于普通殼單元和厚殼單元中。對(duì)于三維單元,提供了可估計(jì)的橫向剪切應(yīng)力。計(jì)算這些應(yīng)力時(shí)忽略了彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的耦合作用,并假定材料性質(zhì)和彎曲力矩的空間梯度很小;
殼單元可以使用每個(gè)單元的局部材料方向,各項(xiàng)異型材料的數(shù)據(jù),如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,以及單元輸出變量,如應(yīng)力和應(yīng)變,都按局部材料方向而定義。在大位移分析中,殼單元上的局部材料軸隨著材料各積分點(diǎn)上的平均運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng);
線性、有限薄膜應(yīng)變、四邊形殼單元(S4R)是較完備的而且適合于普通范圍的應(yīng)用;
線性、有限薄膜應(yīng)變、三角形殼單元(S3R)可作為通用的殼單元來(lái)應(yīng)用。由于在單元內(nèi)部近似為應(yīng)變場(chǎng),精細(xì)的網(wǎng)格劃分可用于求解彎曲變形和高應(yīng)變梯度;
考慮到在復(fù)合材料層合殼模型中剪切柔度的影響,將采用“厚”殼單元(S4R,S3R,S8R)
四邊形或三角形的二次殼單元,用于一般的小變形薄殼是很有效的。它們對(duì)剪力自鎖和薄膜鎖死是不敏感的;
在接觸模擬中不用選用二階三角形殼單元(STRI65),要采用9節(jié)點(diǎn)的四邊形殼單元(S9R5);
對(duì)于僅經(jīng)歷幾何線性行為的非常大的模型,線性、薄殼單元(S4R5)一般將比通用殼單元花費(fèi)更少;
小結(jié):
殼單元的橫截面特性可以由沿厚度方向的數(shù)值積分確定(*SHELL SECTION),或在分析開(kāi)始時(shí)應(yīng)用計(jì)算的橫截面剛度(*SHELL GENERAL SECTION);
*SHELL GENERAL SECTION是非常有效的,但僅用于線性材料,*SHELL SECTION可用于線性和非線性材料;
數(shù)值積分在沿殼厚度方向的一系列積分點(diǎn)上進(jìn)行。這些積分點(diǎn)就是單元變量可以被輸出的位置。最外層的積分點(diǎn)位于殼單元的表面。
殼單元法線方向決定了單元的正和負(fù)表面,為了正確地定義接觸和解釋輸出數(shù)據(jù),必須知道其對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)面。殼法線還定義了施加在單元上正壓力載荷的方向,并可以在ABAQUS/Post中畫(huà)出;
殼單元利用材料方向局部化到每個(gè)單元。在大位移分析中,局部材料軸隨單元而轉(zhuǎn)動(dòng)。*ORIENTATION被用來(lái)定義非默認(rèn)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)。單元的變量,如應(yīng)力和應(yīng)變,在局部方向輸出;
*TRANSFORM定義節(jié)點(diǎn)的局部坐標(biāo)系,集中載荷和邊界條件被應(yīng)用在局部坐標(biāo)系中。所用節(jié)點(diǎn)的輸出,如位移,也默認(rèn)為基于局部的坐標(biāo)系;
矢量圖可以使模擬結(jié)果可視化,特別是用來(lái)觀察結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和載荷路徑。

4.梁?jiǎn)卧?B)

模擬一維尺寸(長(zhǎng)度)遠(yuǎn)大于另外二維尺寸的構(gòu)件,且只有長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力比較顯著。
對(duì)于包含接觸的任何模擬,應(yīng)使用一階、剪切變形的梁?jiǎn)卧?B21,B31)
如果結(jié)構(gòu)剛度非常大或者非常柔軟,在幾何非線性模擬中應(yīng)當(dāng)使用雜交梁?jiǎn)卧?B21H,B32H,等)
使用歐拉-伯努利(三次)梁?jiǎn)卧?B23,B33)精度很高,可模擬承受分布載荷作用的梁,例如動(dòng)態(tài)振動(dòng)分析。如果橫向剪切變形也很重要,要使用鐵摩辛柯(二次型)梁?jiǎn)卧?B22,B32)
模擬有開(kāi)口薄壁橫截面的結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)使用考慮了開(kāi)口截面翹曲理論的梁?jiǎn)卧?B31OS,B32OS)
小結(jié):
梁?jiǎn)卧男再|(zhì)由截面(*BEAM SECTION或*BEAM GENERAL SECTION)的數(shù)值積分決定,或直接給出截面積、慣性矩和扭轉(zhuǎn)常數(shù)(*BEAM GENERAL SECTION);
當(dāng)使用*BEAM GENERAL SECTION選項(xiàng)時(shí),模擬開(kāi)始時(shí)進(jìn)行一次數(shù)值積分,并且假定材料是彈性的;
ABAQUS包括大量的標(biāo)準(zhǔn)橫截面形狀。其它形狀可以通過(guò)定義SECTION=ARBITRARY來(lái)模擬;
必須定義橫截面取向,方法是通過(guò)給出第三個(gè)節(jié)點(diǎn),或者在單元性質(zhì)定義中定義一個(gè)矢量。截面取向在ABAQUS后處理中可以畫(huà)出;
當(dāng)梁作為殼的加強(qiáng)構(gòu)件使用時(shí),梁的橫截面可能偏離節(jié)點(diǎn);
線性和二次型包含剪切變形的影響,三次型梁不考慮剪切柔度。開(kāi)口截面梁準(zhǔn)確地模擬了扭轉(zhuǎn)和薄壁開(kāi)口截面翹曲(包括翹曲約束)的影響;
多點(diǎn)約束和約束方程可以用來(lái)連接模型中鉸接、剛性連接等節(jié)點(diǎn)的自由度;
“彎矩”型圖使得像梁這樣的一維單元的結(jié)果很清楚地表示出來(lái);
ABAQUS后處理圖的硬拷貝可以得到PostScript和HPGL的格式。

5.桁架單元(T)
只能承受拉伸和壓縮載荷的桿,不能承受彎曲,模擬鉸接框架結(jié)構(gòu),近似模擬線纜和彈簧。

6.剛體單元(R)
沒(méi)有獨(dú)立的自由度。

7.非線性分析

結(jié)構(gòu)問(wèn)題中存在著三種非線性來(lái)源:材料、幾何和邊界(接觸)。這些因素的任意組合都可以出現(xiàn)在ABAQUS的分析中;
幾何非線性發(fā)生在位移量值影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況下。這包括大位移和轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)、突然翻轉(zhuǎn)和載荷硬化;
非線性問(wèn)題是利用牛頓-拉弗森方法來(lái)進(jìn)行迭代求解的。非線性問(wèn)題比線性問(wèn)題所需要的計(jì)算機(jī)資源要高許多倍;
非線性分析步被分為許多增量步。ABAQUS通過(guò)迭代,在新的載荷增量結(jié)束時(shí)近似地達(dá)到靜力學(xué)平衡。ABAQUS在整個(gè)模擬計(jì)算中完全控制載荷的增量和收斂性;
狀態(tài)文件允許在分析運(yùn)行時(shí)監(jiān)控分析過(guò)程的進(jìn)展。信息文件包含了載荷增量和迭代過(guò)程的詳細(xì)信息;
在每個(gè)增量步結(jié)束時(shí)可以保存計(jì)算結(jié)果,這樣結(jié)構(gòu)響應(yīng)的演化就可以用ABAQUS/Post顯示出來(lái)。計(jì)算結(jié)果也可以用x-y圖的形式繪出。

8.材料

ABAQUS包含一個(gè)廣泛的材料庫(kù),可模擬各種工程材料的性質(zhì)。其中包括金屬塑性和橡膠彈性模型;
金屬塑性模型的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)必須用真實(shí)應(yīng)變定義;
金屬塑性模型假定材料具有一旦屈服即不可壓縮的性質(zhì)。這將對(duì)應(yīng)用于彈-塑性模擬的單元類型帶來(lái)某些限制;
多項(xiàng)式和奧根應(yīng)變能函數(shù)可應(yīng)用于橡膠材料的彈性(超彈性)。兩種模型均允許直接用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定材料的系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)必須是名義應(yīng)力和名義應(yīng)變的值;
在超彈性材料模型中的穩(wěn)定性警告,說(shuō)明所要分析的應(yīng)變范圍不合適;
存在對(duì)稱性時(shí),可以只考慮部分模型從而減小模擬的尺寸。可通過(guò)施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來(lái)反映結(jié)構(gòu)其余部分的效應(yīng);
大畸變問(wèn)題的網(wǎng)格設(shè)計(jì)比小位移問(wèn)題更加困難。在分析的任何階段,網(wǎng)格中的單元?jiǎng)?wù)必不能過(guò)于畸變;
ABAQUS/Post中的*DEFINE CURVE命令允許處理曲線上的數(shù)據(jù)以生成新的曲線。兩條曲線或一條曲線與一個(gè)常數(shù)可以加、減、乘、除。曲線還可以求導(dǎo)、積分和合并。

9.動(dòng)態(tài)問(wèn)題
具有下列特征的問(wèn)題適于采用線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析:
系統(tǒng)是線性的:線性材料行為,無(wú)接觸條件,無(wú)非線性的幾何效應(yīng);
響應(yīng)只受較少的頻率支配。當(dāng)響應(yīng)中各頻率成分增加時(shí),例如撞擊和沖擊情況,振型疊加方法的效果將大大降低;
載荷的主要頻率在可得到的固有頻率范圍內(nèi),以確保對(duì)載荷的描述足夠精確;
由于任何突然加載所產(chǎn)生的初始加速度能用特征模型精確描述;
對(duì)系統(tǒng)的阻尼不能過(guò)大。
小結(jié):
動(dòng)態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng);
*FREQUENCY可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型;
通過(guò)振型疊加,可以確定線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這一方法盡管有效,但是不能用于非線性問(wèn)題;
線性動(dòng)態(tài)過(guò)程可以計(jì)算瞬態(tài)載荷的瞬態(tài)響應(yīng)、諧振動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、支座移動(dòng)造成的響應(yīng)峰值和隨機(jī)載荷的響應(yīng);
為了準(zhǔn)確表示結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為,必須選擇足夠多的振型?？偟牡刃Ｐ唾|(zhì)量應(yīng)占可動(dòng)質(zhì)量的90%以上;
用戶可以給定直接模態(tài)阻尼、瑞利阻尼和復(fù)合模態(tài)阻尼。但是由于固有頻率和振型的計(jì)算都是基于無(wú)阻尼的結(jié)構(gòu),所以此法只適用于低阻尼結(jié)構(gòu);
模態(tài)技術(shù)不適用于非線性的動(dòng)態(tài)模擬。在這種情況下必須采用自己的時(shí)間積分方法(*DYNAMIC)
*AMPLITUDE選項(xiàng)可以描述隨時(shí)間任意變化的載荷,以及給定的邊界條件;
振型和瞬態(tài)結(jié)果可以在ABAQUS/Post中用動(dòng)畫(huà)顯示。這對(duì)于理解動(dòng)態(tài)響應(yīng)和非線性靜態(tài)分析十分有幫助。

10.多步驟分析

一個(gè)ABAQUS模擬過(guò)程可以包含任意數(shù)目的步驟;
一個(gè)分析步驟就是一段“時(shí)間”,在這段時(shí)間里ABAQUS計(jì)算模型對(duì)一套指定載荷和邊界條件的響應(yīng)。這一步驟中所用的特殊分析過(guò)程確定了這個(gè)響應(yīng)的特征;
在一個(gè)一般分析步驟中,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)可能是線性的,也可能是非線性的;
每一個(gè)一般步驟的開(kāi)始狀態(tài)是上一個(gè)一般步驟的結(jié)束狀態(tài)。這樣,在一個(gè)模擬中模型的響應(yīng)隨一系列一般步驟而演化;
線性擾動(dòng)步驟計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)擾動(dòng)載荷的線性響應(yīng)。這個(gè)響應(yīng)的基本狀態(tài)是相對(duì)于最后一個(gè)一般步驟結(jié)束時(shí)模型的狀態(tài)所定義的;
在一般步驟中任何載荷選項(xiàng)里的OP參數(shù)(例如*BOUNDARY,*CLOAD和*DLOAD中)控制著這些選項(xiàng)中所指定的數(shù)值是如何與前面步驟中定義的數(shù)值相互作用的;
只要存儲(chǔ)了一個(gè)重新啟動(dòng)文件就可以進(jìn)行重新啟動(dòng)分析。重新啟動(dòng)文件可以用來(lái)繼續(xù)一個(gè)中斷的分析或者給模擬添加附加的載荷過(guò)程。
11.接觸

接觸分析需要一個(gè)謹(jǐn)慎的邏輯方法。如果必要,將分析分解成幾步執(zhí)行,并緩慢地施加荷載,以保證很好地建立接觸條件;
一般地,對(duì)分析的每一步最好采用分離步驟進(jìn)行,即使只是因?yàn)檩d荷而改變邊界條件。您幾乎肯定要比預(yù)期情況應(yīng)用更多的步驟,但模型則收斂得更容易。如果想一步就將所有的載荷加上,接觸分析是難以完成的;
在對(duì)結(jié)構(gòu)施加工作載荷之前,要在所有部件之間取得穩(wěn)定的接觸條件。如果必要,采用臨時(shí)的邊界條件,在以后階段再消除這些約束。只要所提供的約束不產(chǎn)生永久的變形,對(duì)最后的結(jié)果應(yīng)該毫無(wú)影響;
不用對(duì)接觸面上的節(jié)點(diǎn)施加邊界條件,即在接觸方向上限制節(jié)點(diǎn)。如果有摩擦,不要在任何自由度上約束這些節(jié)點(diǎn):可能導(dǎo)致零主元信息;
對(duì)于接觸模擬,總要試圖使用一階單元。