ABAQUS 单元类型和选型规则

       网格单元的出现源于离散化求解,离散化把连续求解域离散为若干有限的子区域,分别求解各个子区域的物理变量,各个子区域相邻连续与协调,从而达到整个变量场的协调与连续。每个子域内通过数学物理公式描述,单个这样的子域就称为单元。

       有限元方法不仅应用于力场分析,还可以应用到温度场、磁场、渗流场等分析领域,对于不同类型场的基本物理定律也是不一样的,因此就需要用到不同的单元类型,如果需要考虑多场分析,就需要单元同时考虑所需场、以及场之间的耦合关系,也就出现了耦合单元;耦合分析虽然能获得更准确的计算结果,但计算成本会增大,因此我们需要根据分析的问题来简化问题,选择合适的单元类型。

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      在选单元之前,我们先了解一下ABAQUS 单元编号法则,而了解单元编号法则就不得不提ABAQUS中单元具备的五个基本要素,分别是:

     1)单元族群,如下图所示为力学分析中常用的单元族群,这些族群的主要区别在于几何特征的差异,适合于研究不同的结构类型,选择合适的族群可以在不降低计算精度条件下,减少计算量,比如:一座高楼大厦如果全用实体单元建模,可能需要千万甚至上亿个实体单元,但如果将大厦的梁柱简化为梁单元,墙和楼板简化为壳单元模拟,单元数量将急剧减少。

       单元编号法则1:它们的首字母或前几位字符通常会作为单元编号的起始字符。比如:‘C3D8’中首

字母‘C’为Continuum elements 的首字母。

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2)自由度,是分析过程中计算的基本变量,比如力学分析中的自由度是节点的平移和旋转自由度;传热分析中需要考虑的自由度是节点温度;渗流分析则是孔隙压力自由度……

单元编号法则2:单元自由度通常由单元族群和尾部字符确定,比如尾部字符包含T,则表示包含温度自由度,包含P,则表示包含孔压自由度。

3)节点数,自由度仅在节点位置上计算,而其他位置上的数值则通过内部公式插值获得,而插值方法由单元节点数确定,比如8 节点六面体单元,采用线性插值方式,称为一阶单元;而20 节点六面体单元,也就是在每条单元边中间增加一个节点,采用二次方程插值,因此被称为二阶单元。

单元编号法则3:节点数量会在单元编号中直接体现,比如C3D8 中的‘8’表示8 节点;而其中的‘3’或‘2’后面跟着D 字符,则需要和‘3D’/‘2D’一起辨识为三维/二维单元。

4)单元架构,自由度和节点就像是零件,要把这些零件有机的组合起来,就需要装配说明,而单元架构就是这样的一套装配说明,装配好之后才能称为单元。比如对于拉格朗日架构的单元,材料是跟随单元同步移动;而欧拉架构的单元,材料则可以在单元中流动。

       其次,为了满足一些特殊的计算需求,会对一些基本构架进行修改,比如壳体单元分薄壳和厚壳,主要区别是否考虑壳体法向应力分量。

      另外,不同自由度之间的耦合也是需要特殊的架构去描述。

5)积分点,其作用是为了简化域内非均匀场的积分过程,而抽象出来的点,在计算过程中我们仅获得积分点位置的材料响应,比如应力、应变等。所以在离散化过程中,积分点越多,单元内应力、应变的描述会更加准确些,但并不是越多越好。

      积分点位置根据单元形状以及高斯正交法则进行确定,如果不确定,可以查下帮助文档分析手册Elements 章节中有详细介绍,下面为平面实体单元的积分点分布情况。三节点单元和四节点减缩积分单元均只有一个积分点,因此查询单元应力时,只有一个应力数值;其它单元类型均有N 个积分点,也就会获得N 个单元数值。

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  • 为了方便ABAQUS 的初学者,下面对ABAQUS单元类型选型规则汇总为如下表格

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ABAQUS 单元类型和选型规则的图6ABAQUS单元类型和选择规则.png


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学习了
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挺不错的
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