abaqus系列教程-05应用壳单元

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1、5应用壳单元应用壳单元可以模拟结构，该结构一个方向的尺度（厚度）远小于其它方向的尺度，并忽略沿厚度方向的应力。例如，压力容器结构的壁厚小于典型整体结构尺寸的1/10，一般就可以用壳单元进行模拟。以下尺寸可以作为典型整体结构的尺寸：支撑点之间的距离。加强件之间的距离或截面厚度有很大变化部分之间的距离。曲率半径。所关注的最高阶振动模态的波长。ABAQUS壳单元假设垂直于壳面的横截面保持为平面。不要误解为在壳单元中也要求厚度必须小于单元尺寸的1/10，高度精细的网格可能包含厚度尺寸大于平面内尺寸的壳单元（尽管一般不推

2、荐这样做），实体单元可能更适合这种情况。5.1单元几何尺寸在ABAQUS中具有两种壳单元：常规的壳单元和基于连续体的壳单元。通过定义单元的平面尺寸、表面法向和初始曲率，常规的壳单元对参考面进行离散。但是，常规壳单元的节点不能定义壳的厚度；通过截面性质定义壳的厚度。另一方面，基于连续体的壳单元类似于三维实体单元，它们对整个三维物体进行离散和建立数学描述，其动力学和本构行为是类似于常规壳单元的。对于模拟接触问题，基于连续体的壳单元与常规的壳单元相比更加精确，因为它可以在双面接触中考虑厚度的变化。然而，对于薄壳问题，

3、常规的壳单元提供更优良的性能。在这本手册中，仅讨论常规的壳单元。因而，我们将常规的壳单元简单称为“壳单元”。关于基于连续体的壳单元的更多信息，请参阅ABAQUS分析用户手册的第15.6.1节“Shellelements：overview”。5.1.1壳体厚度和截面点（sectionpoints）5-27需要用壳体的厚度来描述壳体的横截面，必须对它进行定义。除了定义壳体厚度之外，无论是在分析过程中或者是在分析开始时，都可以选择横截面的刚度。如果你选择在分析过程中计算刚度，ABAQUS采用数值积分法沿厚度方向的每一

4、个截面点（sectionpoints）（积分点）独立地计算应力和应变值，这样就允许了非线性的材料行为。例如，弹塑性材料的壳在内部截面点还保持弹性时，其外部截面点可能已经达到了屈服。在S4R（4节点、减缩积分）单元中唯一的积分点的位置和沿壳厚度上截面点的分布如图5-1所示。图5-1在数值积分壳中截面点的分布当在分析过程中积分单元特性时，可指定壳厚度方向的截面点数目为任意奇数。对性质均匀的壳单元，ABAQUS默认在厚度方向上取5个截面点，对于大多数非线性设计问题这是足够了。但是，对于一些复杂的模拟必须采用更多的截面

5、点，尤其是当预测会出现反向的塑性弯曲时（在这种情况下一般采用9个截面点是足够了）。对于线性问题，3个截面点已经提供了沿厚度方向的精确积分。当然，对于线弹性材料壳，选择在分析开始时计算材料刚度更为有效。如果选择仅在模拟开始时计算横截面刚度，材料行为必须是线弹性的。在这种情况下，所有的计算都是以整个横截面上的合力和合力矩的形式进行。如果需要输出应力或应变，在壳底面、中面和顶面，ABAQUS提供了默认的输出值。5.1.2壳法线和壳面壳单元的连接方式定义了它的正法线方向，如图5-2所示。5-27图5-2壳的正法线对于轴

6、对称壳单元，从节点1前进到节点2的方向经逆时针旋转90°定义其正法线方向。对于三维壳单元，根据出现在单元定义中的节点顺序，按右手法则围绕节点前进给出其正法线方向。壳体的顶表面是在正法线方向的表面，对于接触定义称其为SPOS面；而底表面是在沿着法线负方向的表面，对于接触定义称其为SNEG面。在相邻壳单元中的法线必须是一致的。正法线方向定义了基于单元的压力载荷（element-basedpressureload）应用的约定，和随着壳厚度变化的量值的输出。施加于壳体单元上的正向压力载荷产生了作用在正法线方向的载荷。（

7、基于单元的压力载荷的约定，对于壳单元是相反于对实体单元的约定；基于表面的压力载荷的约定（surface-basedpressureload），对于壳单元是相同于对实体单元的约定。关于在基于单元的和基于表面的分布载荷之间的更多区别，请参阅ABAQUS分析用户手册的第19.4.2节“Concentratedanddistributedloads”。）5.1.3壳的初始曲率在ABAQUS5-27中壳（除了单元类型S3/S3R、S3RS、S4R、S4RS、S4RSW和STRI3之外）的公式是描述了真实的曲壳单元；真实的

8、曲壳单元需要特别关注对初始壳面曲率的精确计算。在每一个壳单元的节点处，ABAQUS自动地计算表面法线来估算壳的初始曲率。应用相当精确的算法确定每一节点处的表面法线，在ABAQUS分析用户手册15.6.3节“Definingtheinitialgeometryofconventionalshellelements”中详细地讨论这种算法。若采用图5-3所示的粗网格，在连接邻近单元的同一个节