ABAQUS中实体单元的特点

ABAQUS中六面体单元包括线性单元和二次单元,均可以采用完全积分或缩减积分,以及非协调模式单元和杂交单元，另外还有修正的二次Tri单元(三角形单元)和Tet单元(四面体单元)。

 一、线性完全积分单元:

当单元具有规则形状时,所用的高斯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。

缺点:承受弯曲载荷时,会出现剪切自锁,造成单元过于刚硬,即使划分很细的网格,计算精度仍然很差。

二、二次完全积分单元:

优点:

(1)应力计算结果很精确,适合模拟应力集中问题;

(2)一般情况下,没有剪切自锁问题(shear locking)。

但使用这种单元时要注意:

(1)不能用于接触分析;

(2)对于弹塑性分析,如果材料不可压缩,则容易产生体积自锁(volumetric locking)

(3)当单元发生扭曲或弯曲应力有梯度时,有可能出现某种程度的自锁,

三、线性减缩积分单元:

减缩积分单元,比普通的完全积分单元在每个方向少用一个积分点;线性缩减积分单元只在单元的中心有一个积分点,由于存在沙漏数值问题(hourglass )而过于柔软。采用线性缩减积分单元模拟承受弯曲载荷的结构时,沿厚度方向上至少应划分四个单元。

优点:

(1)对位移的求解计算结果较精确;

(2)网格存在扭曲变形时,分析精度不会受 到明显的影响;

(3)在弯曲载荷下不易发生剪切自锁。

缺点:

(1)需要较细网格克服沙漏问题;

(2)如果希望以应力集中部位的节点应力作为分析目标,则不能选用此单元。因为线性缩减积分单元只在单元的中心有一个积分点,相当于常应力单元,在积分点上的应力结果是相对精确的,而在经过外插值和平均后得到的节点应力则不精确。

四、二次减缩积分单元

二次缩减积分单元不但保持线性减缩积分单元的上述优点,还具有如下特点:

(1)即使不划分很细的网格也不会出现严重的沙漏问题:

(2)即使在复杂应力状态下,对自锁问题也不敏感。 

缺点:

(1)不能用于接触分析;

(2)不能用于大应变问题;

(3)存在与线性减缩积分单元类似的问题,由于积分点少,得到的节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。

五、非协调模式单元(imcompatible modes) 

仅在ABAQUS/Standard有,可克服线性完全积分单元中的剪切自锁问题。ABAQUS中的非协调模式单元NASTRAN中的4节点四边形单元或 8节点六面体单元很相似,所以在比较着两种有限元软件的计算结果时会发现,如果在ABAQUS中选择了非协调模式单元,得到的分析结果会和的结果一致。

优点:

(1)克服了剪切自锁问题,在单元扭曲比较小的情况下,得到的位移和应力结果很精确;

(2)在弯曲问题中,在厚度方向上只需很少的单元,就可以得到与二次单元相当的结果,而计算成本却明显降低;

(3)使用了增强变形梯度的非协调模式,单元交界处不会重叠或开洞,因此很容易扩展到非线性、有限应变的位移。

缺点:如果所关心部位的单元扭曲比较大,尤其是出现交错扭曲时,分析精度会降低。

六、三角形和四面体单元

如果能用Quad或Hex单元,就尽量不要使用Tri或Tet单元;

(1)线性Tri 或Tet单元的精度很差,不要在模型中所关心的部位及其附近区域使用;

(2)二次Tri 或Tet单元的精度较高,而且能模拟任意的几何形状,Hex单元大。但计算代价比 Quad或Hex单元大

(3)二次Tet单元(C3D10)适于ABAQUS/Standard中的小位移无接触问题;  修正的二次 Tet单元(C3DI0M)适用于大变形和接触问题;

七、杂交单元

在ABAQUS/Standard中,每一种实体单元都有其对应的杂交单元,用于不可压缩材料(泊松比接近0.5,如橡胶)或近似不可压缩材料(泊松比大于0.475)，当材料具有以上特性时，必须使用杂交单元。