abaqus系列教程-04应用实体单元

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1、4.应用实体单元在ABAQUS中，应力/位移单元的实体（continuum）单元族是包含最广泛的。ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的实体单元库多少有所不同。ABAQUS/Standard实体单元库ABAQUS/Standard的实体单元库包括二维和三维的一阶（线性）插值单元和二阶（二次）插值单元，它们应用或者完全积分或者减缩积分。二维单元有三角形和四边形；在三维单元中提供了四面体、三角楔形体和六面体（砖型）。也提供了修正的二阶三角形和四面体单元。此外，在ABAQUS/Standard中

2、还有杂交和非协调模式单元。ABAQUS/Explicit实体单元库ABAQUS/Explicit的实体单元库包括二维和三维的减缩积分一阶（线性）插值单元，也有修正的二阶插值三角形和四面体单元。在ABAQUS/Explicit中没有完全积分或者规则的二阶单元。关于可选用的实体单元的详细信息，请参阅ABAQUS分析用户手册第14.1.1节“Solid(continumm)elements”。当做出所有这些各种选项的排列，发现可供使用的实体单元的总数是相当大的，仅就三维模型而言就超过了20种。模拟的精度将很大程度上依赖于

3、在模型中采用的单元类型。在这些单元中选择哪一个最适合于你的模型，可能是一件令人苦恼的事情。特别是在初次使用时。然而，你会逐渐认识到这种在20多件工具组中的选择，为你提供一种能力，对于一个特殊的模拟能够选择恰当正确的工具或单元。本章讨论了不同的单元数学描述和积分水平对于一个特定分析的精度的影响，也给出了一些关于选择实体单元的一般性指导意见，这些为你积累ABAQUS的应用经验，并建立自己的知识库提供了的基础。本章末尾的例子，当你建立和分析一个连接环构件模型时，将允许你应用这些知识。4-564.1单元的数学描述和积分通过

4、考虑一个静态分析的悬臂梁，如图4-1所示，将演示单元阶数（线性或二次）、单元数学描述和积分水平对结构模拟的精度的影响。这是一个用来评估给定的有限元性能的典型测试。由于梁是相当的细长，通常采用梁单元来建立模型。但是，在这里我们将利用此模型帮助评估各种实体单元的效果。梁为150mm长，2.5mm宽，5mm高；一端固定；在自由端施加5N的集中荷载。材料的杨氏模量E为70GPa，泊松比为0.0。采用梁的理论，在载荷P作用下，梁自由端的静挠度给出为其中，，l是长度，b是宽度，d是梁的高度。当P=5N时，自由端挠度是3.09m

5、m。图4-1自由端受集中载荷P的悬臂梁4.1.1完全积分所谓“完全积分”是指当单元具有规则形状时，所用的Gauss积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分。对六面体和四边形单元而言，所谓“规则形状”是指单元的边是直线并且边与边相交成直角，在任何边中的节点都位于边的中点上。完全积分的线性单元在每一个方向上采用两个积分点。因此，三维单元C3D8在单元中采用了2´2´2个积分点。完全积分的二次单元（仅存在于ABAQUS/Standard）在每一个方向上采用3个积分点。对于二维四边形单元，完全积分的积分点位置如

6、图4-2所示。4-56图4-2完全积分时，二维四边形单元中的积分点应用ABAQUS/Standard模拟悬臂梁问题，采用了几种不同的有限元网格，如图4-3所示。采用了或者线性或者二次的完全积分单元进行模拟，以此说明两种单元的阶数（一阶与二阶）和网格密度对结果精度的影响。关于各种模拟情况下的自由端位移与梁理论解3.09mm的比值，如表4-1所示。应用线性单元CPS4和C3D8所得到的挠度值相当差，以至于其结果不可用。随着网格的粗糙，结果的精度越差，但是即使网格划分得相当细（8´24），得到的自由端位移仍只有理论值的5

7、6%。注意到，对于线性完全积分单元，在梁厚度方向的单元数目并不影响计算结果。自由端挠度的误差是由于剪力自锁（shearlocking）引起的，这是存在于所有完全积分、一阶和实体单元中的问题。图4-3悬臂梁模拟所采用的网格4-56表4-1采用积分单元的梁挠度比值单元网格尺寸（高度´长度）1´62´124´128´24CPS40.0740.2420.2420.561CPS80.9941.0001.0001.000C3D80.0770.2480.2430.563C3D200.9941.0001.0001.000像我们所看

8、到的，剪力自锁引起单元在弯曲时过于刚硬，对此解释如下。考虑受纯弯曲结构中的一小块材料，如图4-4所示，材料产生弯曲，变形前平行于水平轴的直线成为常曲率的曲线，而沿厚度方向的直线仍保持为直线，水平线与竖直线之间的夹角保持为。图4-4受弯矩M作用下材料的变形线性单元的边不能弯曲；所以，如果应用单一单元来模拟这一小块材料，其变形后的形状如图4-5所示。图4-5受弯