《ABAQUS单元选择》课件

单元选择ABAQUS在ABAQUS有限元分析中,单元的选择对模型的精度和计算效率有很大影响本节将介绍不同类型单元的特点和适用场景,帮助您选择最合适的单元进行分析单元类型概述ABAQUS可用单元种类丰富单元自由度多样化单元形状函数丰富ABAQUS软件提供了各种不同的单元类型ABAQUS单元还拥有不同的自由度类型,ABAQUS单元还提供了多种形状函数,如,可以满足工程问题建模的各种需求,包括如平移、旋转、温度、压力等,可以满足线性、二次、三次等,可以根据问题的精线性单元、平面应力/应变单元、轴对称各种力学问题的建模需求度要求选择合适的单元单元、三维实体单元等单元几何形状选择0D单元0D单元即点单元,常用于施加集中荷载和质量等它没有尺寸,只有一个节点1D单元1D单元即线单元,包括杆单元和梁单元它们具有长度但无宽度和厚度2D单元2D单元即面单元,包括平面应力/应变单元和轴对称单元它们具有长度和宽度但无厚度3D单元3D单元即体单元,包括实体单元它们具有长度、宽度和厚度适用于复杂几何形状单元自由度选择位移自由度1ABAQUS支持3种位移自由度:x、y、z旋转自由度2ABAQUS支持3种旋转自由度:rx、ry、rz耦合自由度3ABAQUS支持将位移和旋转自由度耦合选择单元时需仔细考虑模型中的物理机制,选择与之匹配的自由度例如,如果研究梁结构的弯曲变形,则需选择同时具有位移和旋转自由度的单元单元形状函数基础概念选择原则线性形状函数高阶形状函数单元形状函数描述了单元内选择合适的单元形状函数需线性形状函数简单易用,但高阶形状函数能更精确地描部变量（如位移、应力等）要权衡单元的自由度、连续精度有限,适用于小变形问述变形,适用于大变形和高随位置的变化情况它直接性、多项式阶数等因素,以题常见的有三角形、四边应力梯度问题如二次、三影响了单元的变形特性和计达到所需的计算精度和稳定形等次多项式形状函数算精度性单元积分数值积分积分点12ABAQUS使用数值积分方法ABAQUS在单元内选择特定来计算单元内的应力和变形的积分点,在这些点计算并存这种方法比模拟积分更准储物理量积分点的选择会确影响单元的精度单元形状函数收敛性34单元的形状函数决定了如何单元模型的精度取决于积分在积分点之间插值物理量点的数量通常需要进行收不同单元有不同的形状函数敛性分析来确定最佳的积分点数量单元锁定问题单元锁定单元积分单元公式网格设计当单元的变形受到过多限制选择合适的单元积分方法可改善单元公式设计也是解决合理的网格设计有助于降低时,可能会产生单元锁定问题,以有效避免单元锁定问题的单元锁定的一个方法单元锁定的风险导致结果的准确性下降发生薄壁结构单元选择薄壳单元1薄壳单元适用于建模薄壁结构,如汽车车身、飞机机身等它们使用较少的自由度来减少计算成本平板单元2平板单元用于模拟薄板结构,如飞机机翼、桥梁板等它们可以很好地捕捉弯曲和扭转变形钢梁单元3对于细长的薄壁结构,如柱子和梁,钢梁单元是最适合的选择它们能精确地模拟轴向力、剪力和弯矩平面应力应变单元2D/适用情况单元特点2D平面应力/应变单元适用于2D平面单元只有两个轴向自由建模一些薄壁结构的2D问题,如度,能更好地描述薄壁结构的变薄板、薄壳等形和应力状态单元类型ABAQUS中常用的2D平面单元有CPE

4、CPE4R等,具有不同的单元形状和积分方案轴对称单元2D适用范围坐标系单元类型2D轴对称单元适用于对称轴向结构2D轴对称单元采用r-z坐标系,r表示ABAQUS中包括CAX

4、CAX4R、的分析,如圆柱形容器、转子、管道径向,z表示轴向CAX

8、CAX8R等2D轴对称单元等固体单元3D全维空间建模自由度丰富123D固体单元可以在三维空间3D固体单元在每个节点拥有中精确模拟结构的全部几何三个平移自由度，能够全面特征，有利于捕捉复杂结构描述结构的整体变形状态的应力分布应用广泛计算代价高343D固体单元适用于各类三维3D固体单元模型节点数较多固体结构的有限元分析，是，需要大量计算资源，因此最基础和常用的单元类型在许多情况下会选用简化的单元类型粒子分析单元模拟颗粒/粒子系统粒子分析单元可以模拟多种颗粒或粒子系统的行为,如砂石、颗粒材料、可分散物质等支持复杂行为粒子分析单元可以模拟颗粒的接触、碰撞、流动等复杂行为,适用于广泛的工程问题全面分析能力借助粒子分析单元,可以对颗粒系统的速度、应力、应变等参数进行全面分析接触单元接触定义接触算法接触参数设置接触单元可以模拟两个或多个表面之间ABAQUS提供多种接触算法,如罚函数法合理设置接触参数,如接触刚度、摩擦系的接触和相互作用,包括摩擦、黏着、渗、拉格朗日乘数法等,用以解决复杂的接数等,对于获得精确的接触解析结果至关透等效应触问题重要单元选择的注意事项单元兼容性单元离散化误差单元锁定问题单元敏感性在选择单元时需要考虑所建较粗糙的网格可能导致单元某些单元类型易出现单元锁需要分析单元类型对结果的立模型的几何形状、边界条离散化误差过大，需要进行定问题，需要选择适当的单影响程度，并选择相对不敏件和载荷情况是否与单元的网格收敛性分析元类型或增加单元自由度感的单元类型假定条件相符弹性体单元选择应变与位移关系应力分布弹性体单元能够精确描述材料弹性体单元可以准确计算材料的应变-位移关系,适用于中小内部的应力分布,为分析提供可变形分析靠的数据几何形状计算效率弹性体单元具有多种几何形状弹性体单元计算速度快,适合大可供选择,能够模拟复杂的结构规模的结构分析,能够提高工作几何效率塑性体单元选择完全塑性模型弹塑性模型损伤演化模型屈服准则选择这类单元适用于材料发生大该模型兼顾了材料的弹性和这类模型考虑了材料损伤对Von Mises、Drucker-Prager塑性变形的场景,如金属成塑性特性,适用于广泛的结刚度和强度的影响,适用于等屈服准则需根据材料性质型、塑料注塑成型等它们构分析领域,如金属结构、预测裂纹发展和材料失效过和分析需求选择合适的模型采用Von Mises屈服准则,描混凝土结构等可以精确捕程对于高应力集中区域尤合理选择可大幅提高分析述材料的非线性行为捉材料的强化效应其有效精度梁单元选择满足变形要求考虑截面类型12选择合适的梁单元可以准确根据结构截面形状,选择相应模拟结构的变形,满足分析需的梁单元,如矩形、圆形或特求殊截面评估单元自由度把握单元特性34根据分析需求,选择合适的自了解不同梁单元的几何形状由度数目,如仅考虑轴向还是、形状函数和积分特点,选择包括弯曲合适的单元壳单元选择薄壳单元厚壳单元单元几何形状薄壳单元适用于建模具有可忽略的厚度厚壳单元适用于建模具有不可忽略厚度壳单元通常采用三角形或四边形网格的结构，如汽车车身、飞机机翼等它的结构，如船体、储罐等它能准确捕根据建模需求选择适当的单元几何形状能准确捕捉弯曲变形和面内应力的特点捉法向应力和剪应力变化和尺寸可以提高分析精度实应力应变分析/线性关系1应力和应变呈现线性关系弹性材料2材料的应力-应变关系遵循胡克定律微小变形3应变值较小,几何形状不发生明显变化实应力/应变分析适用于小变形条件下的线性弹性分析它假设材料的应力-应变关系为线性,应变值较小,几何形状不发生明显变化这种分析可以快速准确地预测结构的应力和位移,是最常见的有限元分析方法之一小变形分析变形小1结构或材料的变形程度很小应力应变关系线性-2材料服从胡克定律几何非线性忽略3忽略大位移和大旋转的影响小变形分析是一种简化的有限元分析方法,适用于结构或材料的变形很小的情况此时,可以忽略几何非线性的影响,材料服从线性应力-应变关系这种情况下,计算速度较快,分析结果也较为准确大变形分析非线性几何1对于大幅度位移和旋转的结构分析,ABAQUS可以采用非线性几何理论,准确捕捉应变-位移之间的非线性关系材料非线性2ABAQUS支持各种非线性材料模型,如塑性、粘弹性、damage等,可以精确模拟材料的非线性行为接触非线性3ABAQUS强大的接触算法能够处理大变形下的接触问题,如金属成形、轮胎滚动等动力分析求解动力响应动力分析可以求解结构在动载作用下的变形、应力和振动响应这需要考虑结构的惯性力和阻尼力时间积分算法常用的时间积分算法包括Newmark、Wilson-θ和HHT等显式和隐式方法选择合适的算法对结果的精度和稳定性很关键加载形式动力加载可以是周期性的如振动、随机的如地震或瞬时的如爆炸需要根据实际情况设置合适的加载热传导分析建立模型1定义几何形状、材料属性和边界条件求解方程2应用热传导方程求解温度场分析结果3评估温度分布、传热通量和热流动热传导分析是用来预测和评估固体、液体或气体中的热量传播过程它考虑了材料属性、几何结构和边界条件的影响,为工程设计和优化提供宝贵的热力学数据耦合热力学分析-热量传递1耦合热-力学分析通过计算热量在材料内的传递情况来反映热对结构的影响应力应变关联2分析热载荷导致的应力应变分布,从而评估热应力对材料性能的影响应用场景3广泛应用于发动机、航天、电子等领域的高温环境下的结构分析流体分析建立流体几何模型根据实际问题,准确建立流体分析几何模型,如管道、流道、叶片等网格划分对几何模型进行精细的有限体积网格划分,保证网格质量达到求解精度要求边界条件设置合理设置流体进出口压力、流速等边界条件,确保模拟结果贴近实际求解和后处理采用RANS、LES等不同湍流模型进行求解,并对结果进行分析可视化耦合流固分析流体动力学1计算流体流动固体力学2计算固体结构变形耦合效应3两者相互影响耦合流固分析通过将流体动力学和固体力学协同计算,可以更准确地模拟流体与固体之间的相互作用这种方法能充分反映流体压力对固体结构的影响,以及固体变形对流体流动的反馈效应,对于涉及流固耦合的工程问题分析至关重要拓扑优化单元最优化设计拓扑优化单元通过自动化优化算法,寻找最优结构设计,减少材料使用,提高产品性能虚拟仿真拓扑优化单元可以在虚拟环境中进行快速模拟和测试,优化设计方案先进制造拓扑优化单元可以与增材制造等技术相结合,实现复杂结构的高效制造单元敏感性分析定义敏感性分析步骤结果应用单元敏感性分析用于评估单首先选择目标响应指标,如根据敏感性分析结果,工程元类型和参数变化对分析结应力或位移然后系统地调师可以优化单元划分和网格果的影响程度这可以帮助整单元参数,比如单元形状尺寸,提高模型精度同时工程师优化单元选择,确保、尺寸、积分点数等,并观也可识别出可能导致数值不分析结果的准确性察响应指标的变化稳定的单元单元收敛性分析网格密度分析单元类型对比单元尺寸敏感性通过逐步增加网格密度,分析数值解比较不同单元类型如一阶与二阶单研究单元尺寸在不同区域的变化如随网格精度的变化趋势,确定足够精元下的数值预测结果,分析单元选择何影响整体模型的收敛性,确定合理细的网格可以获得可靠的解对收敛性的影响的单元尺寸分布单元选择总结ABAQUSABAQUS中单元类型众多,选择合适的单元对分析结果至关重要总结常见单元类型的特点及适用情况,能帮助工程师更好地选择单元,提高分析精度疑问解答在学习和应用ABAQUS单元选择时,我们常会遇到一些疑问比如,如何选择合适的单元类型如何避免单元锁定问题如何提高分析的精度和稳定性我们将在此环节为您逐一解答这些常见的问题,帮您更好地掌握ABAQUS单元选择的技巧。