abaqus中单元的选择宝典解析.docx
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abaqus中单元的选择宝典解析
1.完全积分是指当单元具有规则形状时，所用的高斯积分点可以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确地积分。
2.剪力自锁将使单元变得“刚硬”，只影响受弯曲荷载的完全积分线性（一阶）单元，这些单元功能在受直接或剪切荷载时没有问题。
二次单元的边界可以弯曲，没有剪力自锁的问题。
3.只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分。
所有的楔形、四面体和三角形实体单元采用完全积分。
减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点。
4.只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分。
所有的楔形、四面体和三角形实体单元采用完全积分。
减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点。
5.非协调单元：
只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分。
所有的楔形、四面体和三角形实体单元采用完全积分。
减缩积分单元比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点。
6.ABAQUS对非协调单元采用了增强位移梯度形式。
在弯曲问题中，用非协调单元可得到与二次单元相当的结果，且计算费用明显降低。
对单元扭曲很敏感。
7.ABAQUS对非协调单元采用了增强位移梯度形式。
在弯曲问题中，用非协调单元可得到与二次单元相当的结果，且计算费用明显降低。
对单元扭曲很敏感。
8.杂交单元：
ABAQUS对非协调单元采用了增强位移梯度形式。
在弯曲问题中，用非协调单元可得到与二次单元相当的结果，且计算费用明显降低。
对单元扭曲很敏感。
9.一般情况下应采用二次减缩积分单元（CAX8R，CPE8R，CPS8R，C3D20R）。
在应力集中局部采用二次完全积分单元（CAX8，CPE8，CPS8，C3D20）。
对含有非常大的网格扭曲模拟（大应变分析），采用细网格划分的线性减缩积分单元（CAX4R，CPE4R，CPS4R，C3D8R）。
对接触问题采用线性减缩积分单元或非协调单元（CAX4I，CPE4I，CPS4II，C3D8I等）的细网格划分。
10.采用非协调单元时应使网格扭曲减至最小。
三维情况应尽可能采用块状单元（六面体）。
对小位移问题采用二次四面体单元（C3D10）是可行的。
11.在实体单元中所用的数学公式和积分阶数对分析的精度和花费有非常显著的影响。
使用完全积分的单元，尤其是一阶（线性）单元，容易形成自锁现象，在正常情况下不要应用。
一阶减缩积分单元容易出现沙漏现象；充分的单元细化可减小这种问题。
12.在分析中如有弯曲位移，且采用一阶减缩积分单元时，应在厚度方向上至少用4个单元。
沙漏现象在二阶减缩积分单元中较少见。
在大多数一般问题中要考虑应用这些单元。
非协调单元的精度依赖于单元扭曲的量值。
13.结果的数值精度依赖于所用的网格。
应进行网格细化研究已确保该网格对问题提供了唯一的解答。
但是应记住使用一个收敛网格不能保证计算结果与问题的行为相匹配：
它还依赖于模型其它方面的近似化和理想化程度。
通常只在想要得到精确结果的区域细化网格。
ABAQUS具有一些先进的特点，如子模型，它可以帮助对复杂模拟得到有用的结果。
HOURGLASS
基础部分
Part类型:
可变形部件，离散刚体部件（任意形状，荷载作用下不可变形），解析刚体部件（只可以用直线，圆弧和抛物线创建的形状，荷载作用下不可变形）。
每个部件只存在自己的坐标系中，与其他部件无关。
给部件赋予属性，既成为实例。
实例可以装配成assembly。
Automatedrepairoptions：
默认为缝合边，自动修理用于几何体变成valid。
基特征一旦创建不能修改。
附加特征可用于修改基特征或为基特征添加细节（拉伸，壳，线，切削，导角）
基准几何体类型：
点，轴，坐标系，平面。
过滤器：
selectionoptions
分区：
细分为不同的区域
对于拉伸和旋转，有扭曲选项，可以创建螺纹、螺旋弹簧和扭曲线。
也可以利用锥度选项，指定角度，创建带有锥度的部件。
导入孤立网格：
通过.inp和.odb文件导入已有网格。
被导入的孤立网格，没有父几何体。
定义表面增强：
定义了连接到已有部件表面的表面，并指定他的工程属性。
如何给部件定位：
相对定位：
定义几何关系，确定规则，表面平行约束，面面平行约束，共轴约束，接触约束，重合点约束，平行坐标系约束，若定义有冲突，则将之前的相对约束转化为绝对约束。
集和表面在assembly，step，interaction和load模块中均有效。
在partorpropertymodule中创建的part集在assemblymodule中有效，但不能通过setmanagerment修改。
Step用途：
definestep，指定输出需求，指定分析诊断，指定分析控制。
接触、荷载和边界条件是分析步相关的，需事先定义。
主要用于描述模拟历程。
对python和c++保留了API接口，用于后处理。
输出类型有两种类型：
场数据用于绘制模型的变形，云图和X-Y图；历程数据用于X-Y绘图。
分析步可替换。
分析控制：
为显式分析定义自适应网格区域和控制；为接触问题定制求解控制；定制一般的求解控制。
Interaction：
用于模拟机械或热的接触。
如定义边界的耦合，定义连接器。
显示体的目的是可视化，不用于分析。
接触模型的法向关系、摩擦和干涉。
带有摩擦的双面接触、自接触、捆绑约束。
使用步骤：
create，选择起作用的step；选择表面；在editinteraction对话框中完成接触定义；在接触管理器中激活或不激活。
边界条件：
包括初始温度、指定的平移或转动，速度或角速度。
指定的边界条件可以随着时间相关的幅值定义。
初始条件：
包括平动和转动速度、温度。
初始平动速度可以模拟自由落体的效果。
步骤：
创建、指定对象、编辑。
Meshmodule：
分网技术，单元形状，单元类型，网格密度，生成网格，检查网格状况。
二维区域可用形状：
四边形、以四边形为主（允许三角形单元作为过度）、三角形
三维区域可用形状：
四面体、若实例中包含虚拟拓扑，可使用三角形单元、四边形单元和利用波前算法的四边形或四边形为主的单元。
细节模型中，小的细节可能会影响网格效果，虚拟模型则忽略小的细节。
网格生成技术：
扫略网格（网格在区域的一个表面被创建，称为源面，网格中的节点沿着连接面，拷贝一个单元层，直到目标面，abaqus自动选择源和目标面）。
结构化分网技术：
使用简单的预定义的网格拓扑关系划分网格，给出了网格划分的最大控制。
不同的区域可以有不同的网格划分，用不同的颜色来表示。
在区域之间自动创建捆绑约束，保持区域的连接，但是约束不是真正的协调，精度将会受到影响。
控制网格密度和梯度：
使用波前算法的三角形、四面体、四边形网格的节点和种子精确匹配；使用中轴算法的六面体或四边形网格，abaqus会调整单元的分布，但是可以通过在边上的约束种子防止调整。
分区创建了附加的边，可以对局部网格密度施加更多的控制，可以在应力集中区域细化网格。
分配单元类型：
荷载和边界条件等是基于几何体的，而不是基于网格。
网格质量检查：
限制条件包括形状比、最大最小角度和形状因子等。
在消息域显示单元的总数、扭曲单元的数量、平均扭曲和最差扭曲。
有限元分析实例详解（石亦平）
Abaqus有多个模块，包括cae前处理模块、主求解器Standardandexplicit、design，aqua，foundation接口等等。
在step中若选择staticgeneral则选择了standard，若选择dynamic则选择了explicit。
ABAQUS/standard是一个通用分析模块，它使用隐式求解方法，能够求解广泛领域的线性和非线性问题，包括静态分析、动态分析，以及复杂的非线性耦合物理场分析等。
ABAQUS/EXPLICIT，用以进行显式动态分析，他使用显式求解方法，适于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。
此外，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效（例如模拟成形问题）。
二维平面应力问题：
2Dplanar
线性摄动分析步（linearpertuibationstep）：
只用于分析线性问题，explicit中不能使用此。
Standard中，以下分析总是线性的：
buckle（特征值屈曲）frequency（频率提取分析）modaldynamic（瞬时模态动态分析）randomresponse（随机响应分析）responsespectrum（反应谱分析）steady-statedynamics（稳态动态分析）如模型只能中存在大位移或转动，几何非线性参数NLGEOM应选择ON
设置求解过程时间增量步：
若模型中不包含阻尼或与速率有关的材料性质，时间没有实际意义。
允许的最小增量步：
e-5，最大：
1允许的增量步最大数目：
100
设定输出数据：
step下output菜单项
场变量输出结果（fieldoutput）一个分析步结束时输出结果历史变量输出结果（historyoutput）0.1个分析步结束输出一次应力结果
设定自适应网格：
step—other---adaptivemeshdomain（control）通常比纯拉个狼日分析更稳定，高效，精确。
控制分析过程：
standard通用分析步step—other—generalsolutioncontrols控制收敛算法和时间积分精度。
静力问题，other—solvercontrols来控制迭代线性方程求解器的参数。
在Interaction功能模块中，主要可以定义模型的以下相互作用。
（1）主菜单Interaction定义模型的各部分之间或模型与外部环境之间的力学或热相互作用，例如接触、弹性地基、热辐射等
（2）主菜单Constraint定义模型各部分之间的约束关系。
（3）主菜单Connector定义模型中的两点之间或模型与地面之间的连接单元（connector），用来模拟固定连接、钱接、恒定速度连接、止动装置、内摩擦、失效条件和锁定装置等。
（4）主菜单Special?
Inertia定义惯量（包括点质量/惯量、非结构质量和热容）。
（5）主菜单Special?
Crack定义裂纹。
（6）主菜单Special?
Springs/Dashpots定义模型中的两点之间或模型与地面之间的弹簧和阻尼器。
（7）主菜单Tools常用的菜单项包括Set（集合）、Surface（面）和AlI\plitude（幅值）等。
约束：
在ABAQUS/CAE的Assembly功能模块、Load功能模块和Interaction功能模块中都有"约束"的概念，它们分别有着不同的含义。
在Assembly功能模块中，Constraint（约束）的作用是定义各个实体间的相互位置关系，从而确定它们在装配件中的初始位置。
在Load功能模块中，主菜单BC的作用是定义边界条件，消除模型的刚体位移。
在Interaction功能模块中，主菜单Constraint（约束）的作用是定义模型各部分的自由度之间的约束关系，具体包括以下类型。
（1）Tie（绑定约束）模型中的两个面被牢固地粘结在一起，在分析过程中不再分开。
被绑定的两个面可以有不同的几何形状和网格。
（2）RigidBody（刚体约束）在模型的某个区域和一个参考点之间建立刚性连接，此区域变为一个刚体，各节点之间的相对位置在分析过程中保持不变。
（3）DisplayBody（显示体约束）与RigidBody类似，受到此约束的实体只用于图形显示，而不参与分析过程。
（4）Coupling（耦合约束）在模型的某个区域和参考点之间建立约束。
I）KinematicCoupling（运动耦合）:
即在此区域的各节点与参考点之间建立一种运动上的约束关系。
2）DistributingCoupling（分布耦合）:
也是在此区域的各节点与参考点之间建立一种约束关系，但是对此区域上各节点的运动进行了加权平均处理，使此区域上受到的合力和合力矩与施加在参考点上的力和力矩相等效。
换言之，分布搞合允许面上的各部分之间发生相对变形，比运动捐合中的面更柔软。
（5）Shell-to-SolidCoupling（壳体-实心体约束）在板壳的边和相邻实心体的面之间建立约束。
（6）EmbeddedRegion（嵌入区域约束）模型的一个区域镶嵌在另一个区域中。
（7）Equation（方程约束）用一个方程来定义几个区域的自由度之间的相互关系。
载荷：
4）ShellEdgeLoad:
施加在板壳边上的力或弯矩。
5）SurfaceTraction:
施加在面上的单位面积载荷，可以是剪力或任意方向上的力，通
过一个向量来描述力的方向。
6）PipePressure:
施加在管子内部或外部的压强。
7）BodyForce:
单位体积上的体力。
8）LineLoad:
施加在梁上的单位长度线载荷。
9）Gravity:
以固定方向施加在整个模型上的均匀加速度，例如重力;ABAQUS根据此
加速度和材料属性中的密度来计算相应的载荷。
10）BoltLoad:
螺栓或紧固件上的紧固力，或其长度的变化。
11）GeneralizedPlaneStrain:
广义平面应变载荷，它施加在由广义平面应变单元所构成
12）RotationalBodyForce:
由于模型的旋转造成的体力.需要指定角速度或角加，以及旋转轴。
13）ConnectorForce:
施加在连接单元上的力。
14）ConnectorMoment:
施加在连接单元上的弯矩。
Assembly
（1）独立实体（independentinstance）独立实体是对Part功能模块中部件的复制，可以直接对独立实体划分网格（meshoninstance），而不能对相应的部件划分网格。
如果对同一个部件创建了多个独立实体，则需要对每个独立实体分别划分网格。
（2）非独立实体（dependentinstance）非独立实体是Part功能模块中部件的指针（pointer），不能直接对非独立实体划分网格，而只能对相应的部件划分网格（meshonpart）如果对同一个部件创建了多个独立实体，则只需对部件划分一次。
格，而不必再为每个非独立实体分别划分网格。
对非独立实体，应在窗口顶部的环境栏中把object选项设为part，即对部件划分网格；反之，对独立实体划分网格，应设为assembly，对整个装配件划分网格。
设置边上的种子，可以点击窗口右下角的constraints选择约束条件
无约束：
节点数目可以超出或者少于种子；部分约束：
只能超出，不能少于；完全约束
单元形状选择：
二维（quad：
完全使用四边形，quad-dominated：
过渡区允许出现三角形单元，tri：
完全使用三角形）
三维（hex：
完全使用六面体，hex-dominated：
过渡区允许出现楔形，tet：
完全使用四面体，wedge：
完全使用楔形）
网格颜色：
structured绿色sweep黄色free粉红色自由网格划分采用tri和tet的二次单元来保证精度，structuredandsweep一般采用quadandhex，如果定义seeds完全约束，可能划分不成功，可去除种子。
如果某个区域显示为橙色表明无法使用目前赋予它的网格划分技术来生成网格。
可把实体分割（partition）为几个简单的区域，再划分网格。
Medialaxis算法：
首先把要划分网格的区域分为一些简单的区域，然后使用结构化网格划
分技术来为这些简单的区域划分同格。
1）使用MedialAxis算法更容易得到单元形状规则的网格，但网格与种子的位置吻合较差。
2）在二维模型中使用MedialAxis算法时，选择Minimizethemeshtransition（最小化网格的过渡）可以提高网格的质量，但用这种方法生成的网格更容易偏离种子。
3）如果在某些边设置了受完全约束的seeds，则该算法会自动会其他边设置最佳的种子分布。
4）不支持由cad导入的粗糙模型和虚拟拓扑（virtualtopology）
AdvancingFront算法：
首先在边界上生成四边形网格，然后再向区域内部扩展。
1.得到的网格可以与种子的位置很好地吻合，但在较窄的区可能会使同格歪斜。
2.容易实现从粗网格到细网格的过渡，容易得到大小均匀的网格
3.支持由cad导入的粗糙模型和虚拟拓扑（virtualtopology）
检查网格质量：
verifymesh
单元类型
（1）线性（linear）单元又称一阶单元，仅在单元的角点处布置节点，在各方向都采用线性插值;
（2）二次（quadratic）单元又称二阶单元，在每条边上有中间节点，采用二次插值;
（3）修正的（modified）二次单元只有Tri或Tet单元才有这种类型，即在每条边上有中间节点，并采用修正的二次插值。
所谓线性完全积分是指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。
承受弯曲载荷肘，线性完全职分单元会出现剪切自锁（shearlocking）问题，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（GettingStartedwilhABAQUS）"Elementformulationandintegration"
二次完全积分（quadraticfull-integration）单元
计算结果精确，适合模拟应力集中问题；一般无shearlocking，但不能用于接触分析；若材料不可压缩，在弹塑性分析中，容易产生volumetriclocking；扭曲或弯曲应力有梯度，locking
线性缩减积分（linearreduced-integration）单元
Quad单元和Hex单元在ABAQUS/CAE默认的单元类型是线性减缩积分单元
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。
线性减缩积分单元在单元的中心只有一个积分点，由于存在所谓"沙漏"数值问题而过于柔软，ABAQUS在线性减缩积分单元中引入了"沙漏刚度"以限制沙漏模式的扩展。
线性减缩积分单元有以下优点，
1）对位移的求解结果较精确。
2）网格存在扭曲变形时（例如Quad单元的角度远近大于或小于90°）分析精度不会受到大的影响。
3）在弯曲载荷下不容易发生剪切自锁。
其缺点如下：
1）由要划分较细的网格来克服沙漏问题。
2）如果.希望以应力集中部位的节点应力作为分析指标，则不能选用此类单元，因为线性减缩积分单元只有在单元的中心有一个积分点，相当于常应力单元，经过外差值和平均后得到的节点应力则不精确。
二次减缩积分（quadraticreduced-integration）单元
优于线性减缩积分单元，不能用于接触分析、大应变问题，精度往往低于二次完全积分单元。
非协调摸式（incompatiblemodes）单元的优点如下
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而计算成本明显降低。
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。
注意，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。
综上所述，选择三维实体单元类型时应遵循以下原则。
1）对于三维区域，尽可能采用结构化网格划分技术或扫掠网格划分技术，从而得到Hex单元网格，减小计算代价，提高计算精度。
当几何形状复杂时，也可以在不重要的区域使用少量模形（Wedge）单元。
2）如果使用了自由网格划分技术，Tet单元的类型应选择二次单元。
在ABAQUS/Explicit
中应选择修正的Tet单元。
C3D10M，在ABAQUS/Standard中可以选择C3D10，但如果有
大的塑性变形，或模型中存在接触，而且使用的是默认的"硬"接触关系（"hard"contactrelationship），则也应选择修正的Tet单元C3Dl0M。
3）ABAQUS的所有单元均可用于动态分析，选取单元的一般原则与精力分析相同。
但在使用ABAQUS/Explicit模拟冲击或爆炸载荷时，应选用线性单元，因为它们具有集中质量公式，模拟应力波的效果优于二次单元所采用的一致质量公式。
如果使用的求解器是ABAQUS/Standard，在选择单元类型时还应注意以下方面。
1）对于应力集中问题，尽量不要使用线性减缩积分单元，可使用二次单元来提高精度。
如果在应力集中部位进行了网格细化，使用二次减缩积分单元与二次完全积分单元得到的应力结果相差不大，而二次减缩积分单元的计算时间相对较短。
2）对于弹塑性分析，如果材料是不可压缩性的（例如金属材料），则不能使用二次完全积分单元，否则会出现体积自锁问题，也不要使用二次Tri单元或Tet单元。
推荐使用的是修正的二次Tri单元或Tet单元、非协调单元，以及线性减缩积分单元。
如果使用二次减缩积分单元，当应变超过20%-40%时要划分足够密的网格。
3）如果模型中存在接触或大的扭曲变形，则应使用线性Quad或Hex单元，以及修正的二次Tri单元或Tet单元，而不能使用其他的二次单元。
4）对于以弯曲为主的问题，如果能够保证在所关心部位的单元扭曲较小，使用非协调单元（例如C3D81单元）可以得到非常精确的结果。
5）除了平面应力问题之外，如果材料是完全不可压缩的（例如橡胶材料），则应使用杂交单元;在某些情况下，对于近似不可压缩材料也应使用杂交单元。
梁单元的类型选择原则：
ABAQUS中的所有梁单元都可以产生轴向变形、弯曲变形和扭转变形，B21和B31单元（线性梁单元）以及B22和B32单元（二次梁单元）既适用于模拟剪切变形起重要作用的深梁，又适用于模拟剪切变形不太重要的细长梁，三次单元B23和B33只需划分很少的单元就可以得到较精确的结果
1）在任何包含接触的问题中，应使用B21或B31单元（线性剪切变形梁单元）
2）如果横向剪切变形很重要，则应采用B22和B32单元（二次Timoshenko梁单元）。
3）在ABAQUS/Standard的几何非线性模拟中，如果结构非常刚硬或非常柔软，应使用
杂交单元，例如B21H和B32H单元。
4）如果在ABAQUS/Standard中模拟具有开口薄壁横截面的结构，应使用基于横截面翘
曲理论的梁单元，例如B310S、B320S单元。
定义耦合约束：
1、定义参考点tools—referencepoint（interactionmodule）
2、创建参考点集合tools—set—manager—createset（assemblymodule）
3、定义受约束的面tools—surface—manager（assemblymodule）
4、定义耦合约束createconstraint–coupling—sets，选择点集作为耦合约束控制点；surface，选择面集作为约束面---设置couplingttype（耦合类型）为distributing（模型树中位于constraints下）
处在assembly划分网格状态下，面和集合属于整个
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