Abaqus中的“街溜子”单元

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无用之用的“街溜子”单元

Abaqus的Special-Purpose Elements之中,有一种非常奇怪的Surface单元,它没有材料,没有厚度、也没有刚度。

在有限元软件中,如果没有这些基本的结构属性,意味着没有多少用,因为它不能代表真实世界中的任何物体,甚至极其微小的载荷都能使它产生无限的变形。

按道理,作为Abaqus中的特殊单元,必须要有一技之长,才有用武之地。比如Gasket单元,能为垫片提供一种快捷、精准的建模方法;Acoustic Interface单元,可以充当结构与声学单元之间不同自由度的“翻译”;Cohesive单元,能对界面强度与完整性问题进行建模...

而没有任何特长的Surface单元,是不是毫无用处?恰恰相反,这家伙反而像个“街溜子”,四处乱窜,应用相当之广泛,在各种类型的建模问题中都能碰到它,这货是真正做到了庄子说的“无用之用,方为大用”。

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Surface单元的作用

  • 作用1:携带加强筋

虽然没有内禀刚度,但是Surface单元可以携带Rebar,模拟加强结构,比如下图中的轮胎建模,黄、绿、蓝颜色的单元是携带加强筋的Surface单元,红色短线显示了加强筋的布置方向,它们被嵌入到轮胎的实体单元内部,可以准确地表征轮胎中的钢丝带束层、帘布层等加强结构。

Abaqus中的“街溜子”单元的图1

轮胎中的surface单元

  • 作用2:可变形刚性面

Surface单元也可以被约束为刚体,或通过控制节点位移,形成可变形刚性面,利用接触来驱动其他部件的运动,典型应用是支架的卷曲、膨胀、弯曲和分叉变形。

Abaqus中的“街溜子”单元的图2

可变形刚性面

  • 作用3:生成粒子

Surface单元还可以作为粒子生成器的出口(法向为inlet粒子流向),用来生成不同种类的颗粒(DEM/SPH/LKM),参考此公众号之前推送的文章SPH粒子生成器

Abaqus中的“街溜子”单元的图3

粒子生成器出口

  • 作用4:流体腔辅助面

在Fluid Cavity分析中,为了使流体腔闭合,可以在模型中添加Surface单元作为辅助,或者在多个气室之间通过Surface单元建立隔膜。

Abaqus中的“街溜子”单元的图4

爆胎模拟与多气室气帘

  • 作用5:波浪显示

Abaqus/AQUA分析后处理的时候,可以用Surface单元来显示波浪的自由表面,使用时需注意网格划分要足够精细,以便捕捉波浪形状。


Abaqus中的“街溜子”单元的图5

AQUA分析波浪显示

  • 作用6:附加特征

Surface单元还可以给模型中的部件添加质量或其他特征。如果你经常用CEL方法,可能会知道目前Abaqus欧拉-拉格朗日接触是不支持梁单元的,有这个限制作为前提,接下来这个案例应该算得上是“骚操作”了,刚形成这个思路时我还不确定可行性,建了个模型试算一下,竟然是可以的,后续会做一组Validation看看这种方法精度如何、有没有实用价值。

Abaqus中的“街溜子”单元的图6

欧拉单元与拉格朗日梁单元相互作用

我相信Surface单元的用处不止于此,大家使用的时候继续拓展吧。


参考

Abaqus Documentation

Modeling Tire Burst in the Small Overlap Frontal Crash Simulations


Abaqus中的“街溜子”单元的图7


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以前只知道这种单元的节点可以在分析中按照人为指定发生自由位移,比如一个四边形单元的四个节点,可以在分析步中指定位移,形成壁虎漫步的效果。
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