导图社区 ABAQUS_有限元分析_学习资料03
这是一篇关于ABAQUS_网格划分的思维导图,涵盖简介、单元库、自由度、单元性质、数学描述和积分、单元输出变量、特殊应用几大核心模块,逻辑层级清晰无冗余。简介板块详细说明桁架单元基础特性:仅承受拉压、无法传递弯矩扭矩,适配桁架钢结构、钢筋混凝土内嵌钢筋建模场景,区分二维 / 三维桁架单元命名规则,拆解几何形态、受力优势、设计优势三大核心特点;单元库板块清晰区分二维、三维线性二次桁架单元类型;自由度模块明确二维、三维桁架节点位移自由度差异;单元性质板块点明截面参数定义核心要求;数学描述板块补充 Standard 显式 / 隐式单元积分算法区别;输出变量板块标注桁架单元应力应变输出规则;特殊应用板块详解 Embedded 嵌入式桁架建模操作流程、交互创建步骤与实体协同仿真实操要点,不管是零基础入门 ABAQUS 有限元分析的学生梳理课堂笔记、备考力学仿真专业课,还是在职 CAE 工程师复盘桁架建模规范、解决钢筋内嵌仿真难题,亦或是培训机构制作教学课件、高校教师整理备课讲义,都能直接套用这份思维导图模板,省去手动梳理知识点、搭建逻辑的大量时间,可视化形式更便于快速记忆、查漏补缺,打通理论知识与仿真实操的壁垒。
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这是ABAQUS仿真中关于3D建模的思维导图,主要内容包括:Part,Assembly,Property,构建模型的方法,工具,文件输出。Part 模块详解零件类型、零件复制、草图保存调用等基础操作;Assembly 装配模块重点区分实例与零件差异、从属 / 独立实体、位置约束转换、Merge 与 Cut 合并切割实用技巧,解决装配仿真报错难题;Property 属性模块梳理材料本构、截面、梁截面、材料方向四大属性定义流程;构建模型的方法汇总直接建模、外部模型导入、脚本建模三种主流建模路径;工具板块整理集合与面、显示组、基准工具、选择过滤器等高频辅助工具;文件输出模块重点标注仿真工作中关键文件格式与输出规范。无论你是零基础自学 ABAQUS 三维建模、整理课堂复习笔记、备考力学仿真专业课,还是职场 CAE 工程师梳理标准化建模流程、培训机构制作教学课件、高校教师整理备课讲义,都能直接套用这份导图模板,助力仿真人员快速掌握 ABAQUS 三维建模全流程操作。
这是一篇关于ABAQUS仿真的思维导图,主要包括一些基础内容包括纲量系统、坐标系、有限元分析流程和应用技巧,第一阶段为入门储备知识,分为必备基础、软件基础、实操技巧三部分。必备基础夯实底层理论,包含有限元核心思想、三大力学公式、四大强度理论、固有频率与高效学习策略;软件基础聚焦软件前置核心知识点,重点梳理纲量系统、坐标系、自由度、标准有限元分析流程四大高频基础内容,解决新手最容易混淆的底层概念;实操技巧汇总日常高频实用操作,涵盖插件转换、显示组调用、中文乱码汉化、模型简化技巧,快速规避入门常见操作难题。第二阶段为仿真完整实操流程,依次拆解建模、画网格、仿真、后处理四大核心步骤。建模板块汇总各类单元表征与积分单元,包含实体、壳、梁、桁架、刚性、质量点单元;网格划分作为仿真精度关键环节衔接单元选型;仿真模块细化分析步 Step、相互作用与接触、边界条件及载荷三大核心设置;后处理完成仿真结果输出闭环。第三阶段为实战落地板块,收纳铰链、凹槽成型、卡扣等典型工程实例,配套接触滑移等高频报错问题解决方案,打通理论到工程实操的完整链路。接下来会陆续发布目录中的其他内容……无论你是零基础自学 ABAQUS、备考力学仿真专业课、整理课堂复习笔记,还是职场工程师梳理仿真工作流程、培训机构制作教学课件、教师整理备课讲义,都能直接套用这套导图模板,省去自行搭建知识体系、整理零散知识点的大量时间,实用性极强。
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ABAQUS_网格划分
划分策略
1. 优先六面体网格或四边形网格 2. 当六面体网格或四边形网格无法实现时,使用四面体网格/三角形网格 3. 六面体网格划分策略和核心-拓扑机构 4. 面网格拓扑结构保持和四边形一致;体网格拓扑结构保持和六面体一致
划分步骤
网格生成技术
多个区域或部件的网格兼容
同一部件实例的不同区域可以使用不同类型的单元划分。在区域之间自动创建捆绑约束,以保持区域的连接。但是捆绑约束不是真正的协调,解的局部精度将会受到影响 允许在接触表面附近使用六面体,在其他区域使用四面体 当区域进行网格划分之后,附近区域的已有网格不受影响 如果要求两个或多个体之间的多个区域或部件的网格兼容,首先应该尝试包含所有体的单个部件。在装配体模块,多个部件实例可以被合并为一个部件实例。利用分区,不同的材料区域可以被分离 如果两个对象必须分开的部件建模,应该使用捆绑约束将两个区域粘合起来。
自由分网技术
二维区域
四边形(默认) 可以应用到任意平面和曲面 以四边形为主 允许存在三角形单元作为过度 三角形 可以应用到任意平面和曲面
三维区域
四边体(默认) 可以划分任意形状的几何体单元
扫掠网格
网格在区域的一个表面被创建,该表面成为源面 网格中的节点沿着连接面,一次拷贝一个单元层,直到达到目标面 abaqus 自动选择源和目标面
扫掠网格需要满足的条件
源面可以由多个面组成 目标面只能由一个面组成 连接面可以由多个面组成
二维区域
四边形 扫掠区域全部是四边形网格:平面/曲面 退化旋转区域的四边形为主的网格
三维区域
六面体网格、六面体为主、楔形网格
结构化网格
结构化的网格划分技术使用简单的、预定义的网格拓扑关系划分网格 规则形状区域的网格、比如正方形/立方体,变化到需要进行网格划分的几何体 结构化的网格划分通常给出对网格的最大控制
网格密度
用户可以在选边上覆盖全局种子,并分配局部种子。 1. 局部种子可以一致或者偏置 2. 对于可以用扫掠方法进行网格划分区域,局部种子从选定的边到匹配边自动传播
可以对感兴趣的部分,进行分区,然后对其局部细化
网格检查
网格统计信息
ABAQUS/CAE 可以生成图形,高亮显示超过指定限制条件的单元。限制条件包括形状比、最大和最小角度和形状因子等。
在消息域将显示如下的信息:单元总数、扭曲单元数量、平均扭曲、最差扭曲
尺寸统计信息
常规的
检查短/长边
Abaqus/Explicit
近似的单元稳定时间增量
需要赋予材料和截面属性
支持弹性、超弹性和泡沫材料行为
声学分析
检查对于模型或Abaqus/Standard 稳态分析不合适的单元
网格分析检测
在分析过程中产生错误或警告信息的单元将被以高亮的方式显示
在大多数情况下,单元形状就很明显的指出为什么输入文件处理器会给出错误或警告信息
如果必要,可以在job模块提交数据检查分析,并查看Abaqus在数据文件中显示的信息
质量查询
质量、面积、体积、质心和转动惯量
支持实体、壳、点以及非结构质量单元
在CLI窗口显示结果
网格统计
提供部件实例名字、每种形状单元的个数和节点个数等信息
提供了单元类型和分配给区域的网格划分技术信息
ABAQUS_积分&单元
完全积分
当单元具有规则形状时,所有的GAUSS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。 对六面体和四边形而言所谓“规则形状”是指单元的边是直线并且边和边相交成直角,在任何边中的节点都位于边的中点上。 完全积分的线性单元在每一个方向上采用两个积分点。因此三维单元C3D8在单元中采用2x2x2个积分点。 完全积分的二次单元(仅存在ABAQUS/Standard)在每个方向上采用3个积分点。对于二维四边形单元,完全积分的积分点位置如下
减缩积分R
只有四边形和六面体单元才能采用减缩积分,而所有的楔形体、四面体和三角形实体单元,虽然他们与减缩积分的六面体或四边形单元可以在同一网格中使用,但却可以采用完全积分。 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
杂交积分单元H
非协调模式I
非协调模式(单元名字的最后一个或倒数第二个字母为I)
仅在ABAQUS/Standard 中有非协调模式单元,他的目的是克服完全积分、一阶单元中的剪力自锁问题。由于剪力自锁是单元的位移场不能模拟与完全相关的变形而引起的,所以在一阶单元中引入了一个增强单元变形梯度的附加自由度。这种对变形梯度的增强允许一阶单元在单元域上对于变形梯度上有一个线性变化。标准的单元数学公式使单元中的变形梯度为一个常数,从而导致与剪力自锁先相关的非零剪切应力。这种对变形梯度的增强完全是在一个单元的内部,与位于单元边界上的节点无关。与直接增强位移场的非协调模式公式不同,在ABAQUS/Standard 中采用的数学公式不会导致沿着两个单元交界处的材料重叠或者开洞,如果4-10所示。因此在ABAQUS/Standard 中应用的数学公式很容易扩展到非线性、有限应变的模拟,而这对于应用增强位移场单元是不容易处理的。 在弯曲问题中,非协调模式单元可能产生与二次单元相当的结果,但是计算成本却明显降低,然而,他们对单元的扭曲很敏感,必须保证单元扭曲是非常小的,当为复杂的集合体划分网格时,可能很难保证。因此,在模拟这种几何体时,必须再次考虑应用减缩积分的二次单元,因为他们显现出对网格扭曲的不敏感性。然后对于网格严重扭曲的情况,简单改变单元类型一般不会产生精确的结果。网格扭曲必须尽可能地最小化,以改进结果的精度。
剪力自锁
这是存在于所有完全积分、一阶实体单元中的问题。剪力自锁引起的单元在弯曲时过于刚硬。
建模和实际不同造成的问题
沙漏现象
线性的减缩积分单元由于存在本身的所谓沙漏数值问题而过于柔软
怎么进行判断沙漏现象发生
伪应变能/内能*100<2%~5%
伪应变能:控制沙漏变形所耗散的主要能量。伪应变能过高,说明过多的应变能可能被用于控制沙漏变形了
过度沙漏现象的常见原因及补救方法
细化网格,当网格细化时总能降低沙漏现象 对角部进行圆滑处理,使接触不会在某一单独节点处发生。将接触约束分散在多个节点上以消除沙漏变形形状的起因
解决方案
增加单元密度(减少单元格尺寸) 尽量不在一个节点上加载集中力。(要选一些节点,然后把这些节点和定义的参考点进行耦合,把力施加在这一参考点上)
体积锁定
只会出现在塑性变形很严重或者泊松比大于0.475中,二阶完全积分中
四面体单元
对三维问题应尽可能地采用六面体单元(砖型)。它们以最低的成本给出最好的结果。当几何形状复杂时,采用六面体单元划分全部的网格可能是非常困难的,因此,还需要楔形和四面体单元。这些单元——C3D4和C3D6——的一阶模式是较差的单元(需要细划网格以取得较好的精度)。作为结论,只有必须完成网格划分时,才应用这些单元。即便如此,它们必须远离需要精确结果的区域。
某些前处理器包含了自由划分网格算法,用四面体单元划分任意几何体的网格。对于小位移无接触的问题,在ABAQUS/Standard中的二次四面体单元(C3D10)能够给出合理的结果。这个单元的另一种模式是修正的二次四面体单元(C3D10M),它适用于ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit,对于大变形和接触问题,这种单元是强健的,展示了很小的剪切和体积自锁。但是,无论采用何种四面体单元,所用的分析时间都长于采用了等效网格的六面体单元。不能采用仅包含线性四面体单元(C3D4)的网格,除非使用相当大量的单元,否则结果将是不精确的。
ABAQUS_单元表征
单元表征
单元族
不同单元族之间的一个主要区别是每一个单元族所假定的结合类型不同
自由度
节点数目
数学描述
积分
名字:单元唯一名字,如T2D2,S4R或者C3D81,标识了一个单元的5个方面的每一个特征
单元分析的内容
单元库
单元性质
单元输出变量
自由度
数学描述和积分
所有的单元必须提供截面性质定义,截面性质提供了定义单元几何形状所需要的任何附加数据,而且也标识了相关的材料性质定义
常用单元族和常用单元
单元类型
二维单元
杆单元:用于模拟承受轴向载荷的杆件,如桁架结构
梁单元:适用于模拟具有弯曲和剪切效应的结构,如梁和框架
三维单元
壳单元:用于模拟薄壁结构,考虑弯曲和薄膜效应
减缩积分单元(C3D20):提高计算精度和稳定性,适用于复杂问题
杂交单元(C3D18):结合有限元和无网格方法,适用于高精度分析
节点数目
abaqus仅在单元的节点处计算位移、转动、温度、和其他自由度。单元内的任何其他点处的位移是由节点位移插值获得的
数学描述
单元的数学描述是指用来定义单元行为的数学理论
有限元单元和刚体
有限单元(可变形)和刚性体(不可变形)都是ABAQUS模型的基本构件。任何物体或物体局部都可以定义为刚形体。刚形体比变形体的优越性在于对刚形体运动的完全描述只需要在一个参考点上的最多6个自由度。相比之下,可变性单元拥有许多自由度
ABAQUS_单元表征_实体单元
名称
在abaqus中,应力/位移实体单元的名字以字母“C”开头;随后两个字母表示维数,并且通常表示(并不总是)单元的有限自由度;字母“3D”表示三维单元;AX表示轴对称单元;PE表示平面应变单元;PS表示平面应力单元
单元性质
所用的实体单元必须赋予截面性质,它定义了与单元相关的材料和任何附加的几何数据。 对于三维和轴对称单元不需要附加几何信息,节点坐标就能够完整地定义单元的几何形状。 对于平面应力和平面应变单元,可能要指定单元的厚度,或者采用默认值1.0
局限性
实体单元主要用于模拟三维实体结构,其基本假设是单元内的材料在变形时主要发生平移运动,而不考虑旋转或弯曲效应 单元数量难以控制; 单元质量控制较为困难,四面体中容易出现小夹角,六面体容易出现纵横比过大的单元; 尤其需要注意单层单元的沙漏及剪切自锁问题;
建议
单元数量不宜过多,如果静强度,控制在6位数以内,如果线性问题,控制在5位数以内,如果是多场耦合问题,控制在<5位数以内 单元最好采用六面体网格,在网格数量、网格质量、求解精度上均有较好的效果 如非必要,尽量采用减缩积分
实体单元库
ABAQUS/Standard 实体单元库
包括二维和三维的线性插值单元和二阶插值单元,应用完全积分或减缩积分 二维单元:三角形和四边形 三维单元:四面体、三角楔形体、六面体,还有修正的二阶三角形和四面体单元 在ABAQUS/standard 中还有杂交和非协调单元
ABAQUS/Explicit 实体单元库
包括二维和三维的减缩积分线性插值单元,修正的二阶插值三角形和四面体单元。 在ABAQUS/Explicit 中没有完全积分或者规则的二阶单元
二维实体单元
二维实体单元必须在1-2平面内定义,并使节点编号顺序为绕单元周界的逆时针方向。
平面应变单元CPE4(plain strain)
单元假设离面应变为零,适用于模拟厚板或无限长结构,假设沿厚度方向应变不变;平面应变——构件Z向受刚体约束,无法应变。
平面应力单元CPS4(plain stress)
单元假设离面应力为零用于模拟薄板结构,忽略厚度方向的应力;平面应力——构件Z向不受外力作用,Z向无应力。
轴对称单元CAX4
可模拟360°的环,用于模拟具有轴对称几何形状和轴对称载荷载荷的结构,如圆柱体。可以将三维问题简化为二维问题,减少计算量
三维实体单元
abaqus中,应尽可能使用六面体单元或者二阶修正的四面体单元
六面体单元(C3D8):具有高精度和稳定性,适用于规则形状的模型
四面体单元(C3D4):适用于复杂几何形状,但精度相对较低
棱柱体单元(C3D6):用于模拟细长结构,如梁和柱
单元选择
适用于ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit
ABAQUS_单元表征_壳单元
目录
简介和命名规则
壳单元库
单元
选用
厚壳还是薄壳
壳的初始曲率
壳法线和壳面
参考面的偏移
壳的材料方向
自由度
单元性质_壳体的厚度和截面点
单元输出变量
简介和命名规则
壳单元用来模拟那些一个方向的尺寸(厚度)远小于其他方向的尺寸,并且沿厚度方向的应力可以忽略的结构。 轴对称单元以字母SAX开头。 在ABAQUS/Standard 中也提供带有反对称变形的轴对称壳单元,他以字母SAXA开头。除了轴对称壳的情况外,在壳单元名字中的第一个数字表示在单元中节点的数目,而在轴对称单元名字中的第一个数字表示插值的阶数 壳单元:简单来说对三维实体的二维简化。厚度相对于结构尺寸1/15<t<1/10
壳单元库_单元
常规的壳单元
在程序中包含线性和二次插值的三角形和四边形单元,以及线性和二次的轴对称单元。所有的四边形壳单元(除了S4)和三角形壳单元S3/S3R均采用减缩积分。而S4壳单元和其他三角形壳单元则采用完全积分。
常规的壳单元(general-purpose)
一般性目的的壳单元和带有反对称变形的轴对称壳单元考虑了有限的膜应变和任意大转动; 允许壳的厚度随着单元的变形而改变。所有其他的壳单元假设小应变和厚度不变,即使单元的节点可能发生有限的转动。
适用于薄壳的壳单元(thin-only)
厚度:跨度<1/15
提供了任意大的转动,但是仅考虑小应变
适用于厚壳的壳单元(thick-only)
1/15<厚度:跨度<1/10
基于连续体的壳单元
壳单元库_选用
1. 对于需要考虑薄膜作用或含有弯曲模式沙漏的问题以及具有平面弯曲的问题,当希望得到更精确的解答时,可使用ABAQUS/Standard中的线性、有限薄膜应变、完全积分的四边形壳单元(S4)。 2. 线性、有限薄膜应变、减缩积分、四边形壳单元(S4R)是强健的,而且应用很广。 3. 线性、有限薄膜应变、三角形壳单元(S3/S3R)可作为通用目的的壳单元使用。因为在单元中是常应变的近似场,所以求解弯曲变形或者高应变梯度时可能需要精细的网格划分。 4. 在复合材料层合壳模型中,考虑到剪切变形的影响,采用适合于模拟厚壳问题的单元(S4,S4R,S3/S3R,S8R),并检验是否满足平截面保持平面的假定。 5. 四边形或三角形的二次壳单元用于一般的小应变薄壳是很有效的,这些单元对于剪力自锁或薄膜自锁都不敏感。 6. 如果在接触模拟中一定要使用二阶单元,那么不要使用二阶三角形壳单元(STRI65),而要采用9节点的四边形壳单元(S9R5)。 7. 对于规模非常大但仅经历几何线性行为的模型,使用线性、薄壳单元(S4R5)通常比通用目的的壳单元更节约计算成本。 8. 对于包含任意的大转动和小薄膜应变的显式动态问题,小薄膜应变单元很有效。
壳单元库_厚壳或薄壳
壳单元库_初始曲率
壳单元库_壳法线和壳面
对于轴对称壳单元,从节点1前进到节点2的方向经逆时针旋转90°定义为其正法线方向。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(上)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(下)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-based pressure load)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。(基于单元的压力载荷的约定,壳单元与实体单元相反;基于表面的压力载荷(surface-based pressure load)的约定,壳单元与实体单元相同。有关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》第19.4.2节“Concentrated and distributed loads")
壳单元库_参考面的偏移
壳单元的节点和法线定义了壳的参考面。当用壳单元建模时,典型的参考面重合于壳体的中面。然而在很多情况下,将参考面定义为中面的偏移更为方便。例如,由CAD软件包创建的面一般代表的或者是壳体的顶面,或者是底面。在这种情况下,定义参考面与由CAD创建的面一致更容易,而此时的参考面已偏移于壳体的中面。 对于接触问题,壳体的厚度是很重要的参数,壳体参考面的偏移也可以用于定义更精确的几何信息。另外一种情况是当模拟一个厚度连续变化的壳体时,中面的偏移可能也很重要,因为此时定义在壳体中面的节点是相当困难。如果一个表面平滑而另一个表面粗糙,比如在某些飞行器结构中,应用壳体参考面偏移定义在平滑表面上的节点是最容易的。 可以通过指定一个偏移量引入偏移。偏移量定义为从壳的中面到壳的参考表面之间的壳体厚度与截面厚度的比值,如图所示。 壳的自由度与其参考表面相关。所有的动力学变量,包括单元的面积都要计算。对于曲壳,大的偏移量可能导致面上积分的误差,会影响到壳截面的刚度、质量和转动惯量。为了达到稳定性的目的,ABAQUS/Explicit 也会按偏移量平方的量级自动地增大应用于壳单元的转动惯量,在偏移量过大的动态分析中,这可能会导致误差。当必须从壳中面进行大偏移时,可使用多点约束或刚体约束来代替偏移。
壳单元库_材料方向
与实体单元不同,每个壳体单元都使用局部材料方向。各向异性材料的数据(如纤维增强复合材料)和单元输出变量(如应力和应变)都是以局部材料方向的形式定义的。在大位移分析中,壳面上的局部材料坐标轴随着各积分点上材料的平均运动而转动。
默认的局部材料方向
局部材料的1和2方向位于壳面内,默认的局部1方向是整体坐标1轴在壳面上的投影。如果整体坐标1轴垂直于壳面,则局部1方向是整体坐标3轴在壳面上的投影。局部2方向垂直位于壳面中的局部1方向,因此,局部1方向、2方向和壳体表面的正法线构成右手坐标系
局部材料方向的默认设置有时可能会产生问题。有关这方面的一个例子是圆柱形壳体,如图5-7所示。对于图中大多数单元,其局部1方向就是环向。然而,有一行单元垂直于整体1轴。对于这些单元,局部1方向为整体3轴在壳上的投影,使该处的局部1方向变为轴向,而不是环向。这样,沿局部1方向的应力11的等值线图看起来就会非常奇怪,大多数单元的11为环向应力,而部分单元的11为轴向应力。在这种情况下,对于模型需要定义更合适的局部方向,我们将在下一节中进行讨论。
建立可变的材料方向
应用局部的直角、圆柱或者球坐标系,可以代替整体的笛卡儿坐标系,如图5-8所示。定义局部坐标系(x‘,y’,z‘)的方向,并使局部坐标轴的方向与材料方向一致。为此,必须先指定一个最接近垂直于壳体的1和2材料方向的局部轴(1,2或3),以及绕该轴的旋转量。 ABAQUS按照坐标轴的循环顺序(1,2,3)及用户的选择将坐标轴投影到壳体上,从而构成材料的1方向。例如,如果用户选择了x‘轴,ABAQUS将y’轴投影到壳体上而构成材料的1方向。由壳法线和材料1方向的叉积来定义材料的2方向。一般情况下,最终的材料2方向和其他局部坐标轴的投影,如本例中的z轴,对于曲壳将是不一致的。
如果这些局部坐标轴没有建立理想的材料方向,就需要用到前面指定的绕所选择轴的转动量了。另外两个局部坐标轴在投影到壳面之前将按照该转动量进行转动,以得到最终的材料方向。为了使投影容易实现,所选择的轴应尽可能地接近壳的法线。例如,如果图5-7中的圆柱中心线与整体坐标3轴一致,那么局部材料方向可以这样定义:使局部材料1方向总是沿着圆环方向,并使相应的局部材料2方向总是沿着轴方向。其过程描述如下。
定义局部材料方向: 1. 从Property(特性)模块的主菜单栏中选择Tools→Datum,并定义一个圆柱数据 坐标系。 2. 选择Assign→Material Orientation,给部件赋予一个局部材料方向。当提示选 择坐标系时,选择在上一步中定义的数据坐标系,近似的壳体法线方向是Axis-1 (1-轴)。不需要额外的转动。
实体单元和壳单元材料方向差异
在ABAQUS中,实体单元和壳单元在材料方向定义上的需求确实存在差异,主要原因如下: 实体单元 1.各向同性材料主导:实体单元常用于模拟三维结构,多数情况下使用各向同性材料其材料属性在各个方向上一致,无需定义特定材料方向。 2.默认方向话用:实体单元的默认材料方向与整体坐标系一致,通常能满足分析需求,无零额外定义。 3.复杂情况例外:对于各向异性材料或特定分析需求(如复合材料、特定晶体结构等),可能需要通过*orientation 选项定义材料方向,以确保模拟准确性。 壳单元 1.薄壁结构特性:壳单元用于模拟厚度远小于其他两个尺寸的薄壁结构,其力学行为受材料方向影响显著,如纤维增强复合材料的层合板。 2.材料方向多样性:壳单元允许定义每个单元的局部材料方向,以适应不同方向上的材料属性差异,这是模拟复合材料等各向异性材料的关键。 3.大位移分析需求:在大位移分析中,壳单元的局部材料轴会随材料积分点的运动而转动以适应物体变形后的材料方向变化,这对模拟动态或非线性问题尤为重要。
壳单元库_自由度
在ABAQUS/Standard的三维壳单元中,名字以数字"5"结尾的(例如S4R5,STRI65)单元每一节点只有5个自由度:3个平移自由度和2个面内转动自由度(即没有绕壳面法线的转动)。然而,如果需要的话,可以使节点处的全部6个自由度都被激活,例如,施加转动的边界条件,或者节点位于壳的折线上。 其他的三维壳单元在每一节点处有6个自由度(3个平移自由度和3个转动自由度)轴对称壳单元的每一节点有3个自由度: 1:r方向的平移; 2:z方向的平动;6:r-z平面内的转动。
壳单元库_单元性质
壳的厚度和截面点
所有的壳单元必须提供壳截面性质,它定义了与单元有关的厚度和材料性质。在分析过程中或者在分析开始时,可以计算壳的横截面刚度。
若选择在分析开始时一次计算横截面刚度,可以定义横截面性质来模拟线性或非线性行为。在这种情况下,ABAQUS以截面工程参量(面积、惯性矩等)的方式直接模拟壳体的横截面行为,所以,无需让ABAQUS在单元横截面上积分任何变量。因此,这种方式计算成本较小。以合力和合力矩的方式计算响应,只有在被要求输出时,才会计算应力和应变。当壳体的响应是线弹性时,建议采用这种方式。 如果选择仅在模拟开始时计算横截面刚度,那么材料行为必须是线弹性的。在这个情况下,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。如果需要输出应力和应变,在壳底面、中面、顶面,ABAQUS提供了默认的输出值。
若选择在分析过程中计算刚度,通过在壳厚度方向上选定的点,ABAQUS应用数值积分的方法计算结构的力学行为。所选定的点称为截面点(section point),如图3-6所示。相关的材料性质定义可以是线性的或者是非线性的。用户可以在壳厚度方向上指定任意奇数个截面点。
如果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每一个截面点(section point)(积分点)独立地计算应力和应变,这样就允许了非线性材料行为。 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所示: 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,对性质均匀的单元,ABAQUS默认在厚度方向取5个截面点,对于大多数非线性设计问题,这是足够的。但是,对于一些复杂的模拟必须采用更多的截面点,尤其是当预测会出现反向的塑性弯曲时(这种情况下一般需要采用9个截面点)。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
壳单元库_单元输出变量
以位于每一壳单元表面上的局部材料方向的方式定义壳单元的输出变量。在所有大位移模拟中,这些轴随着单元的变形而转动。用户也可以定义局部材料坐标系,在大位移分析中它随着单元变形而转动。
ABAQUS_单元表征_梁单元
目录
基本内容
简介和命名规则
自由度
定义步骤
梁假设
单元性质
梁横截面的几何形状
截面点
横截面方向
梁单元曲率
梁单元节点偏移
计算公式和积分
剪切变形
翘曲
数学描述和积分
选择梁单元
基本内容
命名规则
名字:B+2/3(维数)+1/2/3(插值) 在ABAQUS/Explicit 中没有提供三次梁单元
自由度
三维梁在每一个节点有6个自由度:3个平移自由度(1~3)和3个转动自由度(4~6)。在ABAQUS/Standard中有"开口截面"(open-section)型梁单元(如B31OS),它具有一个代表梁横截面翘曲(warping)的附加自由度(7)。 二维梁在每一个节点有3个自由度:2个平移自由度(1和2)和1个绕模型的平面法线转动的自由度(6)。
定义步骤
梁架设
梁单元用于模拟一个方向的尺寸(长度)远大于另外两个方向的尺寸,并且仅沿梁轴方向的应力是比较显著的构件 梁理论的基本假设:由一组变量可以完全确定结构的变形,而这组变量只是沿着结构长度方向位置的函数。假设在变形中垂直于梁轴线的平截面保持为平面 为了应用梁理论产生可接受的结果,横截面的尺寸必须小于结构典型轴向尺寸的1/10(不要误解所谓的横截面的尺寸小于典型长度1/10的提法,高度精细的网格中可能包含长度小于其横截面尺寸的梁单元。但一般不建议这样做,因为这种情况下实体单元可能更适合)。下面是典型轴向尺寸的例子: 1. 支承点之间的距离 2. 横截面发生显著变化部分之间的距离 3. 所关注的最高级振型的波长
单元性质
梁横截面的几何形状
可以用三种方法定义梁横截面的轮廓: 1. 从abaqus 提供的横截面库中选择和制定梁横截面的形状和尺寸。当梁的轮廓和梁的截面特性相关时,可以指定是在分析过程中计算截面的工程性质还是让ABAQUS预先计算他们(在分析开始时)。选择前者可以应用于线性或者非线性的材料行为(例如,截面刚度因非弹性屈服而改变);选择后者虽然计算效率高,但只适用于线弹性材料行为 2. 应用截面工程性质来定义一个一般性的梁轮廓,如面积、惯性矩、扭转常数。材料行为可以是线性或者非线性。这样,可以将梁的几何和材料特性组合起来定义他对载荷的响应,这些响应可能是线性或者非线性。这种方式成本比较少 3. 利用特殊的二维单元组成一个网格,由数值计算得到它的几何量。梁的网格横截面允许表现包括多种材料和复杂几何形状的梁横截面
方法1
截面点
当采用ABAQUS提供的横截面库定义梁横截面,并选择在分析过程中计算横截面的工程性质时,ABAQUS通过分布于梁横截面上的一组截面点计算梁单元的响应。截面点的数目及其位置详见<ABAQUS分析用户手册>第15.3.9节"Beam cross-section library"。可以在任何一个截面点上要求输出单元的输出变量,如应力和应变;然而,ABAQUS仅在几个选定的截面点上提供了默认的输出。对于矩形横截面,所有的截面点如图6-2所示。对于该截面,在点1,5,21和25上提供了默认的输出。图6-2所示的梁单元中共使用了50个截面点(两个积分点,每个积分点上有25个截面点)来计算刚度。
当选择在分析前计算梁截面的性质时,ABAQUS就不在截面点上计算梁的响应,而是应用截面的工程性质确定截面的响应。因此,ABAQUS仅应用截面点作为输出的位置,而用户需要指明希望得到哪些截面点的输出数据。
Section integration:During analysis、Before analysis
Abaqus中梁截面定义的积分方式选择逻辑如下: During analysis:在计算过程中每个增量步重新计算截面属性,计算量较大但精度高,适用于材料存在明显非线性(如塑性、损伤后刚度退化)的情况。 Before analysis:在分析前对截面属性进行预积分,分析过程中截面属性保持不变,计算量较小,适用于材料线性或近似线性的情况。 这一机制确保了非线性分析的准确性,同时优化了线性分析的计算效率。
横截面方向
用户必须在整体笛卡儿空间中定义梁横截面的方向。从单元的第1个节点到下一个节点的矢量被定义为沿着梁单元的局部切线t,梁的横截面垂直于这个局部切线矢量。矢量n1和n2代表了局部(1-2)梁截面轴。3个矢量t,n1,n2构成了局部、右手法则的坐标系(见图6-3)。
对于二维梁单元,n1的方向总是(0.0,0.0,-1.0)。 对于三维梁单元,有几种方法来定义局部梁截面轴的方向。一种方法是在定义单元的数据行中指定一个附加的节点(这种方法需要对由ABAQUS/CAE产生的输入文件(.inp)进行人工编辑)。用从梁单元的第1个节点到这个附加节点的矢量v(见图6-3)作为初始的近似n1方向,然后ABAQUS定义梁的n2方向为t×v。在n2确定后,ABAQUS定义实际的n1方向为n2×t。上述过程确保了局部切线与局部梁截面轴构成一个正交系。 另一种方法是当在ABAQUS/CAE中定义梁截面特性时,可以给定一个近似的n1方向,然后ABAQUS应用上面描述的过程计算实际的梁截面轴。如果不但指定了一个附加的节点,而且又给出了一个近似的n1方向,将优先采用附加节点的方法。如果没有提供近似的n1方向,ABAQUS将从原点到点(0.0,0.0,-1.0)的矢量作为默认的n1方向。 有两种办法可以用来代替由ABAQUS定义的n2方向,这两种办法都要求人工编辑输入文件。一种是给出n2矢量的分量作为节点坐标的第4、第5和第6个数据值:另一种是使用*NORMAL选项直接地指定法线方向(添加该选项可以通过ABAQUS/CAE中的Kevwords Editor(关键词编辑器))。如果同时采用了这两种办法,后者优先。ABAQUS再由n2×t定义n1方向。 用户提供的n2方向不必垂直于梁单元的切线t。如果提供了n2方向,局部梁单元的切线t将被重新定义为n1×n2的叉积。在这种情况下,重新定义的局部梁切线t很有可能与从第1节点到第2节点的矢量所定义的梁轴线不一致。如果n2方向与垂直于单元轴线的平面的夹角超过了20°,ABAQUS将在数据文件(.dat)中发出一个警告信息。
梁单元的方向
对于大多数梁,不同方向的惯性矩是不同的,这就需要指定合理的惯性矩,对梁单元而言,则需要定义截面的方向,如图3-4所示。 梁截面的方向用局部右手轴系(t,m1,m2)来定义,其中,堤单元轴的切线,从单元第一个节点到第二个节点的方向上为正,n1和n2是定义截面局部1和2方向的基向量,n1称为第一个梁截面轴,n2称为梁的法线。梁截面轴系如图3-4所示。
曲率
梁单元的曲率是基于梁的n2方向相对于梁轴的取向。如果n2方向不与梁轴正交(即梁轴的方向不与切向t一致),则认为梁单元有初始弯曲。由于曲梁的行为与直梁的行为不同,用户必须经常检查模型以确保应用了正确的法线,进而有正确的曲率。对于梁和壳体, ABAQUS使用同样的算法来确定几个单元共享节点的法线。在《ABAQUS分析用户手册>第15.3.4节"Beam element cross-section orientation"中给出了描述。 如果打算模拟曲梁结构,可能需要使用在前面描述的直接定义n2方向的两种方法之一,它可以使用户更好地控制对曲率进行模拟。即使打算模拟由直梁组成的结构,由于在共享节点处被平均化的法线,也可能要引入曲率。如前面所解释的,通过直接定义梁的法线可以矫正这个问题。
梁单元节点偏移
当应用梁单元作为壳模型的加强件时,使梁和壳单元应用相同的节点是很方便的。壳单元的节点位于壳的中面上,而梁单元的节点位于梁的横截面上某点。因此,如果壳和梁单元使用相同的节点,壳与梁加强件将会重叠,除非梁横截面相对于这个节点位置进行偏移(见图6-4)。
采用工字形、梯形和任意多边形的梁截面形式,可能要将该截面几何形状定位在与截面的局部坐标系的原点(原点位于单元节点处)具有一定距离的位置上。由于很容易使采用这些横截面的梁偏离它们的节点,因此可以应用它们作为如图6-4(b)所示的加强件(如果加强件的翼缘或腹板的屈曲是很重要的,则应该采用壳单元来模拟加强件)。
图6-5中的工字形梁附着在一个1.2单位厚的壳上。通过设置梁的节点相对于工字形梁截面的底部的偏移量,便可得到如图所示的梁截面位置。在这种情况下,偏移量为0.6,亦即壳厚度的一半。 也可以指定形心和剪切中心的位置,这些位置也可以从梁的节点偏移,从而可以很容易地模拟加强件。 另外也可以分别定义梁节点和壳节点,并在两个节点之间用一个刚性梁的约束连接梁和壳。关于进一步详细的内容,请参阅《ABAQUS分析用户手册》第20.2.1节“Linear constraint equations".
在梁截面中需要注意的是,工字钢梁、梯形梁、槽形梁、帽形梁和任意多边形梁的中心轴是可以偏移的,其他梁是不可以的,因此对于部分分析可以通过调整中心轴的位置来快速建模,如梁、壳单元共节点情况。
计算公式和积分
在ABAQUS中的所有梁单元都是梁柱类单元,这意味着它们可以产生轴向、弯曲和扭转变形。Timoshenko梁单元还考虑了横向剪切变形的影响。
剪切变形
线性单元(B21和B31)和二次单元(B22和B32)是考虑剪切变形的Timoshenko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。这些单元横截面的特性与厚壳单元横截面的特性相同,如图6-6(b)所示。第5.2节“壳体公式——厚壳或薄壳”已经对此进行了讨论。 ABAQUS假设这些梁单元的横向剪切刚度为线弹性和常数。另外,建立了这些梁的数学公式,因此它们的横截面面积可以作为轴向变形的函数而变化,仅在几何非线性模拟中考虑它的影响,此时截面的泊松比具有非零值(详见第8章“非线性”)。只要梁的横截面尺寸小于结构典型轴向尺寸的1/10(这通常被考虑为梁理论的适用性的界限),这些单元就可以提供有用的结果。如果梁的横截面在弯曲变形时不能保持为平面,那么梁理论是不适合模拟这种变形的。
ABAQUS/Standard 中的三次单元被称为Euler-Bernoulli梁单元(B23和B33),它们不能模拟剪切变形。这些单元的横截面在变形过程中与梁的轴线保持垂直(见图6-6(a))。因此,应用三次梁单元模拟相对细长构件的结构更为有效。由于三次单元可以模拟沿单元长度方向位移的三阶变量,所以对于静态分析,常常可用一个三次单元模拟一个结构构件;而对于动态分析,也只采用很少数量的单元。这些单元假设剪切变形是可以忽略的。一般情况下,如果横截面尺寸小于结构典型轴向尺寸的1/15,那么这个假设就是有效的。
翘曲
结构构件经常承受扭矩,几乎所有的三维框架结构都会发生这种情况。在一个构件中引起弯曲的载荷,可能在另一个构件中引起扭转,如图6-7所示。 梁对扭转的响应依赖于它的横截面形状。一般说来,梁的扭转会使横截面产生翘曲或非均匀的离面位移。ABAQUS仅对三维单元考虑扭转和翘曲的影响。在翘曲计算中假设翘曲位移是小量。在扭转时,实心横截面、闭口薄壁横截面和开口薄壁横截面的行为是不同的。
实心横截面
在扭转作用下,非圆形的实心横截面不再保持平面,而是发生翘曲。ABAQUS应用St.Venant翘曲理论在横截面上每一个截面点处计算由翘曲引起的剪切应变的分量。这种实心横截面的翘曲被认为是无约束的,所产生的轴向应力可以忽略不计(翘曲约束仅仅影响非常靠近约束端处的结果)。实心横截面梁的扭转刚度取决于材料的剪切模量G和梁截面的扭转常数J。扭转常数取决于梁横截面的形状和翘曲特征。对于在横截面上产生较大非弹性变形的扭转载荷,应用这种方法不能够得到精确的模拟。
闭口薄壁横截面
闭口薄壁非圆形横截面(箱形或六边形)的梁具有明显的抗扭刚度,因此,其性质与实心横截面梁类似。ABAQUS假设在这些横截面上的翘曲也是无约束的。横截面的薄壁性质允许ABAQUS考虑剪应变沿壁厚是一个常数。当壁厚是典型梁横截面尺寸的1/10时,一般的薄壁假设是有效的。关于薄壁横截面的典型横截面尺寸的例子包括: ·管截面的尺寸; ·箱形截面的边长; ·任意形状截面的典型边长。
开口薄壁横截面
当翘曲是无约束时,开口薄壁横截面在扭转中是非常柔性的,而这种结构抗扭刚度的主要来源是对于轴向翘曲应变的约束。约束开口薄壁梁的翘曲会引起轴向应力,该应力又会影响梁对其他类型载荷的响应。ABAQUS/Standard具有剪切变形梁单元——B31OS和B32OS,它们包括了在开口薄壁横截面中翘曲的影响。当模拟采用开口薄壁横截面的结构在承受显著的扭转载荷时,例如管道(定义为任意多边形截面)或者工字形截面,必须使用这些单元。
翘曲函数
翘曲引起整个梁横截面的轴向变形,截面的翘曲函数定义了翘曲的变化。在开口截面梁单元中,采用一个附加的自由度7来处理这个函数的量值。约束住这个自由度可以使被约束的节点不会发生翘曲。 在每个构件分支上的翘曲量可以不同,在框架结构中开口截面梁之间的连接点处,一般每个构件分支应该使用各自不同的节点(见图6-8)。然而,如果连接方式的设计已经防止了翘曲,则所有的构件应该共享同一个节点,并必须约束住翘曲的自由度。 当剪力没有通过梁的剪切中心作用时会产生扭转,扭转力矩等于剪力乘以它到剪切中心的偏心距。对于开口薄壁梁截面,其形心和剪切中心常常并不重合(见图6-9)。如果节点不是位于横截面的剪切中心,那么在载荷作用下截面可能扭转。
数学描述和积分
线性梁(B21和B31)和二次梁(B22和B32)允许剪切变形,并考虑了有限轴向应变,因此,它们既适合于模拟细长梁,也适合于模拟短粗梁。尽管允许梁的大位移和大转动,在ABAOUS/Standard中的三次梁单元(B23和B33)不考虑剪切弯曲和假设小的轴向应变,因此,它们只适合于模拟细长梁 ABAQUS/Standard 提供了线性和二次梁单元的派生形式(B31OS和B32OS),适合模拟薄壁开口截面梁。这些单元能正确地模拟在开口横截面中扭转和翘曲的影响,如I字梁或U型截面槽。在本书中不涉及开口截面梁 ABAQUS/Standard也有杂交梁单元用来模拟非常细长的构件,如海上石油平台上的柔性立管,或者模拟非常刚硬的连接件。在本书中不涉及杂交梁。
选择梁单元
1. 在任何包含接触的模拟中,应该使用一阶剪切变形梁单元(B21,B31)。 2. 如果横向剪切变形是非常重要的,则采用Timoshenko(二阶)梁单元(B22,B32)。 3. 如果结构非常刚硬或者非常柔软,在几何非线性模拟中,则应当使用ABAQUS/Standard中的杂交梁单元(B21H,B32H等)。 4. 在ABAQUS/Standard中的Euler-Bernoulli三次梁单元(B23,B33)模拟承受分布载荷作用的梁有很高的精度,例如动态振动分析。 5. 在ABAQUS/Standard中,模拟开口薄壁横截面的结构应该采用那些应用了开口横截面翘曲理论的梁单元(B31OS,B32OS)。
ABAQUS_单元表征_桁架单元
目录
简介
单元库
自由度
单元性质
数学描述和积分
单元输出变量
简介
由于桁架单元不能扭转、弯曲,因此最普遍的应用桁架结构
桁架单元是只能承受拉伸或者压缩载荷的杆件,它们不能承受弯曲,因此,适合于模拟铰接框架结构此外,桁架单元能够用来近似地模拟缆索或者弹簧(例如,网球拍)。在其他单元中,桁架单元有时还用来代表加强构件。在第2章“ABAQUS基础”中的吊车桁架模型采用了桁架单元。 所有桁架单元的名字都以字母“T”开头。随后的两个字符表示单元的维数,如“2D”表示二维桁架,“3D”表示三维桁架。最后一个字符代表在单元中的节点数目
桁架结构并不是完全不受扭转和弯曲,而是在设计时通过特定的结构形式和力学原理,使其具有良好的抗扭转和抗弯曲性能,从而在实际使用中能够有效地减小这些变形。以下是桁架结构能够减小扭转和弯曲的原因: 1. 结构形式 ·三角形稳定性:桁架结构的基本单元是三角形,三角形是最稳定的几何形状,能够有效抵抗变形。 ·空间桁架:空间桁架在三维空间中布置杆件,形成稳定的空间结构,具有更高的抗扭刚度 2. 力学原理 ·轴向受力:桁架结构的杆件主要承受轴向力(拉力或压力),而弯矩和剪力被最小化,这使得杆件能够更有效地利用材料的强度1。 ·载荷传递:通过合理布置杆件,桁架结构能够有效地将载荷传递到支座,减少结构内部的弯矩和剪力,从而减小扭转和弯曲23。 3. 设计考虑 ·材料选择:桁架结构通常采用轻质高强度的材料,如钢材和铝合金,这些材料具有良好的抗弯和抗扭性能4。 ·刚度设计:在设计过程中,会通过计算和分析确保桁架结构具有足够的刚度,以抵抗外部载荷引起的扭转和弯曲1。 综上所述,桁架结构通过其独特的结构形式、力学原理和合理的设计,能够有效地减小扭转和弯曲,使其在实际应用中表现出良好的稳定性和安全性。
单元库
在二维和三维中有线性和二次桁架。在ABAQUS/Explicit中没有二次桁架
自由度
桁架单元在每个节点只有平移自由度。三维桁架单元有自由度1,2和3,二维桁架单元有自由度1和2。
单元性质
所有的桁架单元必须提供桁架截面性质、与单元相关的材料性质定义和指定的横截面面积。
数学描述和积分
除了标准的数学公式外,在ABAQUS/Standard中有一种杂交桁架单元列式,这种单元适合于模拟非常刚硬的连接件,其刚度远大于所有结构单元的刚度。
单元输出变量
输出轴向的应力和应变。
特殊应用
由于桁架单元不能承受扭转,所以其应用场合一般为桁架结构。但在某些场合,桁架单元可以与实体单元联合使用(Embedded),用以模拟混凝土中的钢筋,如图3-6所示。 Embedded功能入口在Interaction模块,使用路径为Create Constrain→Create→Embedded Region。在图3-6中,AB,CD,DE,EF, CF虚线为桁架单元,A~F为桁架单元节点。外面的两个六面体为实体单元。当桁架单元的单元节点正好在实体单元的线上时,Abaqus自动建立约束关系,将桁架的单元节点绑定在实体单元的线上,如C、D、E、F点;当桁架单元的单元节点没有落在线上,而是落在面上时,Abaqus自动建立约束关系,将桁架的单元节点绑定在实体单元的面上,如A、B点。这样就建立了相互作用,模拟了钢筋在混凝土中的作用。这时候需要有两个假设。 1)钢筋只受拉力和压力。 2)钢筋不会拔出。
ABAQUS_单元表征_刚体单元
目录
简介
类型
解析刚体
离散刚体
刚体约束
刚性单元库
自由度
物理性质
数学描述和积分
单元输出变量
简介
刚体的运动
每个刚体定义必须唯一。刚体定义中不可以共享节点、单元或参考节点。
节点
在abaqus中刚形体是节点和单元的集合体,这些节点的运动由称为刚性体参考节点(rigid body reference node)单一节点的运动所控制——可以是边界条件,也可以是施加在刚体上的力;
参考点的位置会影响刚体所受弯矩和可能发生的转动,因此如果在分析过程中,刚体在所施加载荷下自由移动,参考节点的位置是非常重要的;这样的情况下,参考节点应该放在刚体的质心(Abaqus可以自动计算质心,并重新确定参考节点的位置.)。例如:动力分析,如果涉及到旋转或考虑转动惯量对模型的影响,需要把参考点设置为刚体的质心,其他情况用户可以将刚体的参考节点放在模型中的任何位置。
除了刚性体参考点外,离散的刚性体包含由指定到刚体上的单元和节点生成的节点集合体,这些节点称为刚性体从属节点(rigid body slave nodes)它们提供了与其他单元的连接。部分刚性体上的节点具有如下两种类型之一: 销钉节点(pin),它只有平移自由度; 束缚节点(tie ),它只有平移和旋转自由度。 刚性体节点的类型,取决于这些节点附属的刚性体单元类型。当节点直接布置在刚性体上时,也可以指定或修改节点类型。对于销钉节点,仅是平移自由度刚性体部分,并且刚性体参考点的运动约束了这些节点自由度运动;对于束缚节点,平移和转动自由度均属于刚性体部分,刚性体参考点的运动约束了这些节点的自由度。 定义在刚性体上的节点不能被施加上任何边界条件,多点约束(multi-point constraints)或者约束方程(constraint equations)。然而,边界条件、多点约束、约束方程和载荷可以施加刚性体参考点上
惯性属性
1. 基于单元的贡献,可以计算划分网格刚体的质量和转动惯量;或者可以使用刚体从属节点或刚体参考节点定义的MASS和ROTATYI单元指定质量和转动惯量。 1.1 每个刚体的质量、质心和关于质心的惯性矩将出现在打印输出(.dat)文件中 2. 出于确认的目的,可以指定部分的模型为刚体,借以帮助分析。 2.1 比如,在复杂模型中,不能预测所有潜在的接触条件。可以把距离所关心区域较远的区域的单元作为刚体,这样在建立模型时,可以加速运行时间。
如果模型中某个部件的刚度远远大于其他部件,其变形远远小于其他部件,就可以将其定义为刚体部件。 如:定义一块钢板,属性定义弹性模量无限大,泊松比无限小,可以模拟刚体
类型
解析刚体
用数学方程描述、用几何形状表示刚体,几何形状规则、简单;不需要画分网格。 应用:没有材料、截面属性,可以施加质量;常用于接触分析中的刚体部件,常用于模拟工具、模具等刚性部件。
离散刚体
刚体约束
什么是刚体约束
可以在创建Part的时候选择可变形体或从其他三维软件导入的Part,将其本身或部分区域设置为刚体,在相互作用interaction 中设置为刚体rigid body。在删除或者抑制后,就恢复为变形体
刚性体的功能适用于大多数单元,它们均可成为刚性体的一部分,不仅仅局限于刚性单元(rigid element)。例如,只要将单元赋予刚体,壳单元或者刚性单元可以用于模拟相同的问题。控制刚性体的规则,诸如如何施加载荷和边界条件,适合于所有组成刚性体单元类型,包括刚性单元。
将一组节点或单元约束为一个刚体,使其内部不发生相对变形。 应用:适用于简化模型,减少计算量;可以把一个part模型设置为一部分是刚体,另一部分不是刚体
创建步骤
创建一个参考点
Tools——》Reference Point
指定刚体约束的区域(在选择刚体区域类型的时候,有几种类型的约束)
Body
选择几何模型或网格模型中的单元为刚体,用户可以选择单元、分区、壳的面或线模型的边界
Pin
选择点、线、面或cells 上的结点为刚体,这些结点只有平移自由度
Tie
选择点、线、面或cells 上的结点为刚体,这些结点有平移和旋转自由度
Analytical Surface
选择解析刚体表面为刚体
解析刚体和离散刚体
区别
相同点
1.离散刚体与解析刚体都是通过一个参考点来控制刚体的运动,计算时只是在参考点上积分,而刚体的外形只是用于判断接触面。 2.在Part或者Property模块中,通过Tools--Reference Point来指定参考点;在Property模块中,通过Special-Inertia来设置积分点上的质量或者转动惯量(静力学问题可以不用设置);在Load中,边界条件、荷载以及速度均施加在这个参考点上。 转动惯量(Moment of Inertia),是刚体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性)的量度,用字母或J表示。对于一个质点,1=mr2(kg·m2),其中m是其质量,r是质点和转轴的垂直距离。 3. 二者均不需要赋予材料属性和截面属性
不同点
1.离散刚体可以绘制复杂的模型,但只有shell和wire类型才能设置为刚体单元类型,如果是solid类型,在Instance模块将无法创建Instance,出现如下提示:必须转换为shell才能导入(因为是刚体所以不会涉及到其内部,一样的)而解析刚体中只能绘制简单形状,二维模型只能使用wire,三维模型只能用壳体的拉伸和旋转。
2.离散刚体需要划分网格,注意此时能划分网格的离散刚体必须是shell或者wire类型,如果是solid是无法划分网格的,出现如下提示: Abaqus The current part is a 3D discrete rigid solid.Meshing of 3D discrete rigid solids is not yet available. However, you may select the Shape->Shell->From Solid menu item in the Part module to extract from the solid a shell which then may be meshed. 而解析刚体不需要划分网格,计算效率比离散刚体高,故在选择刚体部件的类型时,应尽量采用解析刚体。
转换
在Abaqus中,模型的type从analytical转换为discrete rigid是可行的,但是将discrete rigid转换为analytical则不可行。以下是关于这两种模型类型转换的详细说明:
1.从Analytical转换为Discrete Rigid
-在Abaqus/CAE中,可以通过以下步骤实现转换: -打开Model Tree。 -选择要转换的Analytical刚体。 -右键点击并选择"Edit Attributes"。 -在弹出的对话框中,将Type从"Analytical"更改为"Discrete"。 -点击“OK”确认更改。
2.从Discrete Rigid转换为Analytical的不可行性
-Abaqus中并没有提供直接将Discrete Rigid类型模型转换为Analytical类型模型的选项。 -这是因为两种模型类型在定义和计算方式上有本质的区别: -Analytical刚体是通过解析方法定义的,其形状和运动学特性在建模时就已经确定,适用于模拟简单的刚体运动。 -Discrete Rigid则是通过离散化的节点和单元来定义的,具有更复杂的运动学和动力学特性,适用于模拟更复杂的刚体系统。 -由于这种本质区别,直接转换会导致模型信息的丢失或计算错误。 如果确实需要将Discrete Rigid模型转换为Analytical模型,可能需要重新创建Analytical模型,并手动输入或导入相应的几何和运动学参数。但请注意,这种重新创建的过程可能比较复杂,并且需要确保新创建的Analytical模型能够准确反映原Discrete Rigid模型的运动学和动力学特性。 总之,在进行模型类型转换时,应充分考虑模型的特点和计算需求,选择合适的转换方法或重新建模的方式,以确保模拟结果的准确性和可靠性。
刚性单元库
1.刚性单元库 三维四边形(R3D4)和三角形(R3D3)刚性单元用来模拟三维刚性体的二维表面。在ABAQUS/Standard中,另外一种单元是2节点刚性梁单元(RB3D2),主要用来模拟受流体拽力和浮力作用的海上结构中的部件。 对于平面应变、平面应力和轴对称模型,可以应用2节点刚性单元。在ABAQUS/Standard中,也有一种平面2节点刚性梁单元,主要用于模拟二维的海上结构。
三维四边形刚性单元R3D4
三维三变形刚性单元R3D3
自由度
尽在刚性体参考点处由独立的自由度,对于三维单元,参考点有3个平移和3个转动自由度;对于平面和轴对称单元参考点有1,2,6(绕3轴的转动) 附属到刚性单元上的节点只有从属自由度。从属自由度的运动完全取决于刚性体参考点的运动。对于平面和三维刚性单元只有平移的从属自由度。相应于变形梁单元,在ABAQUS/Standard 中的刚性梁单元具有相同的从属自由度;三维刚性梁为1~6,平面刚性梁为1,2和6
物理性质
所有刚性单元必须指定其截面性质。对于平面和刚性梁单元,可以定义横截面面积;对于轴对称和三维单元,可以定义厚度,而厚度的默认值为零。只有在刚性体上施加体力时才需要这些数据,或者在ABAQUS/Explicit 中定义接触时才需要厚度
数学描述和积分
由于刚性体单元不能变形,所以他们不用数值积分点,也没有可选择的数学描述
单元输出变量
这里没有单元输出变量。刚性体单元仅输出节点的运动。另外,可以输出在刚性体参考点处的约束力矩和反力矩
ABAQUS_单元表征_质量点和转动惯量单元
目录
简介
自由度
单元性质
单元输出变量
简介
质量和转动惯量在ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit 中都可以适用,但是他们在ABAQUS/Explicit 分析中占有尤为重要的地位。 本节质量(MASS)单元和转动惯量(Rotaryi)单元用于在离散点处定义质量和转动惯量
自由度
质量单元的每个节点具有3个平动自由度。转动惯量单元的每个节点具有3个转动自由度
单元性质
质量单元的质量截面特性定义了该单元的质量大小 转动惯量单元的惯量截面特性定义了该单元的转动惯量
单元输出变量
这些单元没有输出变量