Abaqus單元小結(jié)

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

1、單元表征
單元族:單元名字里開始的字母標志著這種單元屬于哪一個單元族。
C3D8I是實體單元;
S4R是殼單元;
CINPE4是無限元;
梁單元;
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)點處的平動和轉(zhuǎn)動
1 1方向的平動
2 2方向的平動
3 3方向的平動
4 繞1軸的轉(zhuǎn)動
5 繞2軸的轉(zhuǎn)動
6 繞3軸的轉(zhuǎn)動
7 開口截面梁單元的翹曲
8 聲壓或孔隙壓力
9 電勢
11 度(或物質(zhì)擴散分析中歸一化濃度)
12+梁和殼厚度上其它點的溫度
軸對稱單元
1 r方向的平動
2 z方向的平動
6 r-z方向的轉(zhuǎn)動
節(jié)點數(shù):決定單元插值的階數(shù)
數(shù)學描述:定義單元行為的數(shù)學理論
積分:應用數(shù)值方法在每一單元的體積上對不同的變量進行積分。大部分單元采用高斯積分方法計算單元內(nèi)每一高斯點處的材料響應。單元末尾用字母“R”識別減縮積分單元,否則是全積分單元。
ABAQUS擁有廣泛適用于結(jié)構(gòu)應用的龐大單元庫。單元類型的選擇對模擬計算的精度和效率有重大的影響;
節(jié)點的有效自由度依賴于此節(jié)點所在的單元類型;
單元的名字完整地標明了單元族、單元的數(shù)學描述、節(jié)點數(shù)及積分類型;
所用的單元都必須指定單元性質(zhì)選項。單元性質(zhì)選項不僅用來提供定義單元幾何形狀的附加數(shù)據(jù),而且用來識別相關(guān)的材料性質(zhì)定義;
對于實體單元,ABAQUS參考整體笛卡爾坐標系來定義單元的輸出變量,如應力和應變?？梢杂?ORIENTATION選項將整體坐標系改為局部坐標系;
對于三維殼單元,ABAQUS參考建立在殼表面上的一個坐標系來定義單元的輸出變量。可以用*ORIENTATION選項更改這個參考坐標系。

2.實體單元(C)

實體單元可在其任何表面與其他單元連接起來。
C3D:三維單元
CAX:無扭曲軸對稱單元,模擬3600的環(huán),用于分析受軸對稱載荷作用,具有軸對稱幾何形狀的結(jié)構(gòu);
CPE:平面應變單元,假定離面應變ε33為零,用力模擬厚結(jié)構(gòu);
CPS:平面應力單元,假定離面應力σ33為零,用力模擬薄結(jié)構(gòu);
廣義平面應變單元包括附加的推廣:離面應變可以隨著模型平面內(nèi)的位置線性變化。這種數(shù)學描述特別適合于厚截面的熱應力分析。
可以扭曲的軸對稱單元:用來模擬初始時為軸對稱的幾何形狀,且能沿對稱軸發(fā)生扭曲。這些單元對于模擬圓柱形結(jié)構(gòu),例如軸對稱橡膠套管的扭轉(zhuǎn)很有用。
反對稱單元的軸對稱單元:用來模擬初始為軸對稱幾何形狀的反對稱變形。適合于模擬像承受剪切載荷作用的軸對稱橡膠支座一類的問題。
如果不需要模擬非常大的應變或進行一個復雜的,改變接觸條件的問題,則應采用二次減縮積分單元(CAX8R,CPE8R,CPS8R,C3D20R)
如果存在應力集中,則應在局部采用二次完全積分單元(CAX8,CPE8,CPS8,C3D20等)。
對含有非常大的網(wǎng)格扭曲模擬(大應變分析),采用細網(wǎng)格劃分的線性減縮積分單元(CAX4R,CPE4R,CPS4R,C3D8R等)
對接觸問題采用線性減縮積分單元或非協(xié)調(diào)元(CAX4I,CPE4I,CPS4I,
C3D8I)的細網(wǎng)格劃分。
如果在模型中采用非協(xié)調(diào)元應使網(wǎng)格扭曲減至最小。
三維情況應盡可能采用塊狀單元(六面體)。當幾何形狀復雜時,完全采用塊體單元構(gòu)造網(wǎng)格會很困難,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)果對小位移問題應該是合理的。
小結(jié):
在實體單元中所用的數(shù)學公式和積分階數(shù)對分析的精度和花費有顯著的影響;
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;充分的單元細化可減小這種問題;
在分析中如有彎曲位移,且采用一階減縮積分單元時,應在厚度方向至少用4個單元;
沙漏現(xiàn)象在二階減縮積分單元中較少見,一般問題應考慮應用這些單元;
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,應進行網(wǎng)格細化研究以確保該網(wǎng)格對問題提供了唯一的解答。但是應記住使用一個收斂網(wǎng)格不能保證計算結(jié)果與問題的實際行為相匹配: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)域細劃網(wǎng)格;
ABAQUS具有一些先進特點如子模型,它可以幫助對復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)遠小于另外兩維尺寸,且垂直于厚度方向的應力可以忽略的結(jié)構(gòu)。
一般殼單元:S4R,S3R,SAX1,SAX2,SAX2T。對于薄殼和厚殼問題的應用均有效,且考慮了有限薄膜應變;
薄殼單元:STRI3,STRI35,STRI65,S4R5,S8R5,S9R5,SAXA。強化了基爾霍夫條件,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,在小應變和載荷使計算結(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;
對于給定的應用,判斷是屬于薄殼還是厚殼問題,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,認為是厚殼問題;如果比值小于1/30,則認為是薄殼問題;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合材料層合殼結(jié)構(gòu)中作用顯著,故比值(厚跨比)將遠小于“薄”殼理論中采用的比值。具有高柔韌中間層的復合材料(“三明治”復合材料)有很低的橫向剪切剛度并且?guī)缀蹩偸潜挥脕砟M“厚”殼;
橫向剪切力和剪切應變存在于普通殼單元和厚殼單元中。對于三維單元,提供了可估計的橫向剪切應力。計算這些應力時忽略了彎曲和扭轉(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單元的局部材料方向,各項異型材料的數(shù)據(jù),如纖維增強復合材料,以及單元輸出變量,如應力和應變,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上的平均運動而轉(zhuǎn)動;
線性、有限薄膜應變、四邊形殼單元(S4R)是較完備的而且適合于普通范圍的應用;
線性、有限薄膜應變、三角形殼單元(S3R)可作為通用的殼單元來應用。由于在單元內(nèi)部近似為應變場,精細的網(wǎng)格劃分可用于求解彎曲變形和高應變梯度;
考慮到在復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)點的四邊形殼單元(S9R5);
對于僅經(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),或在分析開始時應用計算的橫截面剛度(*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上進行。這些積分點就是單元變量可以被輸出的位置。最外層的積分點位于殼單元的表面。
殼單元法線方向決定了單元的正和負表面,為了正確地定義接觸和解釋輸出數(shù)據(jù),必須知道其對應的是哪個面。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中畫出;
殼單元利用材料方向局部化到每個單元。在大位移分析中,局部材料軸隨單元而轉(zhuǎn)動。*ORIENTATION被用來定義非默認的局部坐標系統(tǒng)。單元的變量,如應力和應變,在局部方向輸出;
*TRANSFORM定義節(jié)點的局部坐標系,集中載荷和邊界條件被應用在局部坐標系中。所用節(jié)點的輸出,如位移,也默認為基于局部的坐標系;
矢量圖可以使模擬結(jié)果可視化,特別是用來觀察結(jié)構(gòu)的運動和載荷路徑。

4.梁單元(B)

模擬一維尺寸(長度)遠大于另外二維尺寸的構(gòu)件,且只有長度方向上的應力比較顯著。
對于包含接觸的任何模擬,應使用一階、剪切變形的梁單元(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當使用雜交梁單元(B21H,B32H,等)
使用歐拉-伯努利(三次)梁單元(B23,B33)精度很高,可模擬承受分布載荷作用的梁,例如動態(tài)振動分析。如果橫向剪切變形也很重要,要使用鐵摩辛柯(二次型)梁單元(B22,B32)
模擬有開口薄壁橫截面的結(jié)構(gòu),應當使用考慮了開口截面翹曲理論的梁單元(B31OS,B32OS)
小結(jié):
梁單元的性質(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);
當使用*BEAM GENERAL SECTION選項時,模擬開始時進行一次數(shù)值積分,并且假定材料是彈性的;
ABAQUS包括大量的標準橫截面形狀。其它形狀可以通過定義SECTION=ARBITRARY來模擬;
必須定義橫截面取向,方法是通過給出第三個節(jié)點,或者在單元性質(zhì)定義中定義一個矢量。截面取向在ABAQUS后處理中可以畫出;
當梁作為殼的加強構(gòu)件使用時,梁的橫截面可能偏離節(jié)點;
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。開口截面梁準確地模擬了扭轉(zhuǎn)和薄壁開口截面翹曲(包括翹曲約束)的影響;
多點約束和約束方程可以用來連接模型中鉸接、剛性連接等節(jié)點的自由度;
“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;
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)
沒有獨立的自由度。

7.非線性分析

結(jié)構(gòu)問題中存在著三種非線性來源: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)響應的情況下。這包括大位移和轉(zhuǎn)動效應、突然翻轉(zhuǎn)和載荷硬化;
非線性問題是利用牛頓-拉弗森方法來進行迭代求解的。非線性問題比線性問題所需要的計算機資源要高許多倍;
非線性分析步被分為許多增量步。ABAQUS通過迭代,在新的載荷增量結(jié)束時近似地達到靜力學平衡。ABAQUS在整個模擬計算中完全控制載荷的增量和收斂性;
狀態(tài)文件允許在分析運行時監(jiān)控分析過程的進展。信息文件包含了載荷增量和迭代過程的詳細信息;
在每個增量步結(jié)束時可以保存計算結(jié)果,這樣結(jié)構(gòu)響應的演化就可以用ABAQUS/Post顯示出來。計算結(jié)果也可以用x-y圖的形式繪出。

8.材料

ABAQUS包含一個廣泛的材料庫,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;
金屬塑性模型的應力-應變數(shù)據(jù)必須用真實應變定義;
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)。這將對應用于彈-塑性模擬的單元類型帶來某些限制;
多項式和奧根應變能函數(shù)可應用于橡膠材料的彈性(超彈性)。兩種模型均允許直接用實驗數(shù)據(jù)來確定材料的系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)必須是名義應力和名義應變的值;
在超彈性材料模型中的穩(wěn)定性警告,說明所要分析的應變范圍不合適;
存在對稱性時,可以只考慮部分模型從而減小模擬的尺寸?？赏ㄟ^施加適當?shù)倪吔鐥l件來反映結(jié)構(gòu)其余部分的效應;
大畸變問題的網(wǎng)格設計比小位移問題更加困難。在分析的任何階段,網(wǎng)格中的單元務必不能過于畸變;
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常數(shù)可以加、減、乘、除。曲線還可以求導、積分和合并。

9.動態(tài)問題
具有下列特征的問題適于采用線性瞬態(tài)動力學分析:
系統(tǒng)是線性的:線性材料行為,無接觸條件,無非線性的幾何效應;
響應只受較少的頻率支配。當響應中各頻率成分增加時,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;
對系統(tǒng)的阻尼不能過大。
小結(jié):
動態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)的慣性效應;
*FREQUENCY可以計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型;
通過振型疊加,可以確定線性系統(tǒng)的動態(tài)響應。這一方法盡管有效,但是不能用于非線性問題;
線性動態(tài)過程可以計算瞬態(tài)載荷的瞬態(tài)響應、諧振動下的穩(wěn)態(tài)響應、支座移動造成的響應峰值和隨機載荷的響應;
為了準確表示結(jié)構(gòu)的動態(tài)行為,必須選擇足夠多的振型?？偟牡刃Ｐ唾|(zhì)量應占可動質(zhì)量的90%以上;
用戶可以給定直接模態(tài)阻尼、瑞利阻尼和復合模態(tài)阻尼。但是由于固有頻率和振型的計算都是基于無阻尼的結(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態(tài)模擬。在這種情況下必須采用自己的時間積分方法(*DYNAMIC)
*AMPLITUDE選項可以描述隨時間任意變化的載荷,以及給定的邊界條件;
振型和瞬態(tài)結(jié)果可以在ABAQUS/Post中用動畫顯示。這對于理解動態(tài)響應和非線性靜態(tài)分析十分有幫助。

10.多步驟分析

一個ABAQUS模擬過程可以包含任意數(shù)目的步驟;
一個分析步驟就是一段“時間”,在這段時間里ABAQUS計算模型對一套指定載荷和邊界條件的響應。這一步驟中所用的特殊分析過程確定了這個響應的特征;
在一個一般分析步驟中,結(jié)構(gòu)的響應可能是線性的,也可能是非線性的;
每一個一般步驟的開始狀態(tài)是上一個一般步驟的結(jié)束狀態(tài)。這樣,在一個模擬中模型的響應隨一系列一般步驟而演化;
線性擾動步驟計算結(jié)構(gòu)對擾動載荷的線性響應。這個響應的基本狀態(tài)是相對于最后一個一般步驟結(jié)束時模型的狀態(tài)所定義的;
在一般步驟中任何載荷選項里的OP參數(shù)(例如*BOUNDARY,*CLOAD和*DLOAD中)控制著這些選項中所指定的數(shù)值是如何與前面步驟中定義的數(shù)值相互作用的;
只要存儲了一個重新啟動文件就可以進行重新啟動分析。重新啟動文件可以用來繼續(xù)一個中斷的分析或者給模擬添加附加的載荷過程。
11.接觸

接觸分析需要一個謹慎的邏輯方法。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,對分析的每一步最好采用分離步驟進行,即使只是因為載荷而改變邊界條件。您幾乎肯定要比預期情況應用更多的步驟,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,對最后的結(jié)果應該毫無影響;
不用對接觸面上的節(jié)點施加邊界條件,即在接觸方向上限制節(jié)點。如果有摩擦,不要在任何自由度上約束這些節(jié)點:可能導致零主元信息;
對于接觸模擬,總要試圖使用一階單元。