simulia仿真软件ABAQUS常用单元介绍

ABAQUS分析中经常面临单元类型选择的问题，尤其是壳单元的选择。目前，哪种类型的单元更合适成了仿真工程师的热门话题。单元类型的选择除了需要考虑模型本身的属性之外还要考虑时间成本、模型精度、工况场景以及仿真分析目标等。当然，前提是我们要了解ABAQUS中单元的分类和每种单元的特点，再结合以上前提条件进行合理的选择。

ABAQUS中常用的单元包括实体(Solid)单元、壳(Shell)单元和梁(Beam)单元，实体单元主要包括完全积分、减缩积分、非协调以及杂交这四种常见的单元模式。接下来对这四种常见的单元模式进行具体介绍。

1、完全积分单元

节点的单元编号决定了单元域内节点自由度的插值方式，abaqus包含一阶和二阶插值方式的单元。完全积分的线性单元在每一个方向上采用2个积分点；完全积分的二次单元在每一个方向上采用3个积分点。

不足：由于线性单元的边不能弯曲，所以完全积分的线性单元存在“剪切自锁”问题。在复杂应力状态下，完全积分的二次单元也有可能发生剪切自锁。

2、减缩积分单元

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。完全积分的线性单元只在单元的中心有一个积分点。

不足：线性减缩积分单元由于存在“沙漏模式”的数值问题，所以有可能过于柔软。在ABAQUS中，可以通过绘制伪应变能(ALLAE)和内能(ALLIE)来评价沙漏模式对计算结果的影响。

3、非协调单元

有一些单元，不满足协调条件，但仍然可以收敛到真实解，这类单元成为非协调单元。它可以看成是对等参数单元的一种改进，目的在于：在计算量增加不多的情况下，使单元的实际精度有所改善。此种单元在一阶单元中引入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有一个线性变化。

在Abaqus中，非协调单元以字符结尾，仅适用于线性四边形和六面体单元。它把增强单元位移梯度的附加自由度引入线性单元，能克服线性完全积分中的剪切锁死问题，具有较高的计算精度。

优点：

• 克服了剪切锁死问题，在单元扭曲比较小的情况下，得到的位移和应力结果很准确。

• 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，而计算成本明显小于二次单元。

• 单元交界不会重叠或开洞，因此很容易扩展到非线性、有限应变的位移。

不足：非协调单元对单元的扭曲很敏感，在使用时需要小心以确保单元扭曲是非常小的，若所关心的部位单元扭曲比较大，尤其出现交错扭曲时分析精度会降低。值得注意的是，非协调单元和减缩积分单元，两个只能选择其一，不能同时选择。但是可以同时选择杂交单元。

4、杂交单元

在ABAQUS/Standard中使用杂交公式的单元在它的名字中含有字母“H”。当材料行为是不可压缩(泊松比=0.5)或非常接近于不可压缩(泊松比>0.475)时,采用杂交单元。橡胶就是一种典型的具有不可压缩性质的材料。不能用常规单元来模拟不可压缩材料的响应(除了平面应力情况),因为在此时单元中的压应力是不确定的。