有限元缺陷：剪切锁死、体积锁死、沙漏模式、零能模式.doc

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1、有限元缺陷：剪切锁死、体积锁死、沙漏模式、零能模式1、剪切锁死（shearlocking）概念：简单地说就是在理论上没有剪切变形的单元中发生了剪切变形，该剪切变形也常称伴生剪切（parasiticshear）。在每一个积分点，初始时竖直方向的虚线与水平方向的虚线夹角为90°，变形后却改变了，说明这些点上的剪应力不为零，这与纯弯曲时剪应力为零不一致。产生这种伪剪应力的原因是因为单元的边不能弯曲，他的出现意味着应变能正在产生剪切变形，而不是所希望的弯曲变形，因此总的挠度变小，即单元过硬。剪力自锁仅影响受弯曲载荷完全积分的线性单元行为，而二次单元的边界可以弯曲，故它不存在剪力自锁的问题。产生的结果

2、：使得弯曲变形偏小，即弯曲刚度太刚。解决方法：1、采用减缩积分；2、细化网格；3、非协调单元；4、假定剪切应变法。2、体积锁死（volumetriclocking）概念：简单地说就是应该有单元的体积变化的时候体积却没发生变化，该原因是受到了伪围压应力（Spuriouspressurestresses）。发生的条件：1、全积分单元；2、材性几乎不可压缩；二阶单元：对于弹塑性材料（塑性部分几乎属于不可压缩），二阶全积分四边形和六面体单元在塑性应变和弹性应变在一个数量级时会发生体积锁死，二次减缩积分单元发生大应变时体积锁死也伴随出现。但值得注意的是，一阶全积分单元当采用选择性减缩积分（select

3、ivelyreducedintegration）时可以避免出现体积锁死。产生的结果：使得体积不变，即体积模量太大，刚度太刚。解决方法：1.将大应变区域网格细化；2.mixedformulation法；检查方法：输出积分点的围压应力，分析围压应力是否在相邻积分点存在突变，是否显棋格式分布，是的话就说明出现体积锁死。3、沙漏模式（hourglassingmode）概念：如图所示受纯弯曲作用的一小块材料的变形,由于每个单元只有一个积分点,单元中虚线的长度和夹角均没有改变,因而在单元单个积分点上的应力分量都为零,单元扭曲没有产生应变能,所以单元在弯曲状态下没有刚度。简单地说就是单元只有一个积分点，周

4、边的节点可以随意变形。发生的对象：一阶、减缩积分单元；产生的结果：单元太柔。解决方法：1、对一阶减缩单元，合理细化网格；荷载避免使用点荷载；2、在大应变区或大应变梯度区使用一阶单元，而不是使用二阶单元。4、零能模式（zero-energymode）采用一阶减缩积分时会出现零能模式，即单元只有一个积分点，在受弯时该积分点没有任何的应变能，此时此单元没有任何刚度，就无法抵抗变形。解决方法：1、提供人工的“沙漏刚度”；2、细化网格（一般在高度方向至少要有4个单元）。