仿真過程中單元合理選取高級(jí)精髓

當(dāng)前市場(chǎng)商業(yè)化仿真軟件已經(jīng)遍地開花，但其都是基于有限單元法理論，這就要求我們仿真工程能夠?qū)τ邢拊獑卧ɡ碚撘耆莆?。另外在我們?shí)際仿真工作過程中，存在一個(gè)比較大的缺陷，仿真工程師在對(duì)結(jié)構(gòu)離散過程中，忽視了對(duì)單元的合理選擇及單元選擇對(duì)仿真精度影響，因此本文重點(diǎn)對(duì)因單元選擇引起的誤差進(jìn)行說明，以問答的方式進(jìn)行闡述，使仿真工作者能夠?qū)σ騿卧鸬慕Y(jié)果偏差找到原因、解決方法。

沙漏模式：

哪種單元出現(xiàn)：線性減縮積分單元的應(yīng)力/位移場(chǎng)分析中；

何為沙漏模式：因線性減縮積分單元積分點(diǎn)較少，可能出現(xiàn)沒有剛度的零能量模

式（沙漏模式），網(wǎng)格較粗時(shí)，零能模式會(huì)通過網(wǎng)格擴(kuò)展出去，

是計(jì)算結(jié)果無意義；

判斷：

方法1：查看單元的變形情況，如果單元變成交替出現(xiàn)的梯形形狀，就可能出現(xiàn)沙漏模式，如下圖：

方法2：result-history output，繪制ALLAE（偽應(yīng)變能）和內(nèi)能ALLIE曲線，

ALLAE占ALLIE的1%時(shí)，表明沙漏模式對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大；超過10%

時(shí)，分析認(rèn)為無效。

沙漏控制：

沙漏控制：abaqus中的偽應(yīng)變能或沙漏剛度主要用來控制沙漏變形能量；

措施：

l  細(xì)化網(wǎng)格：線性減縮積分單元要避免過于粗糙的網(wǎng)格，如結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形，則在厚度方向上至少劃分4個(gè)單元；

l  設(shè)置沙漏控制：引入少量的人工“沙漏剛度”來限制沙漏模式的擴(kuò)展。網(wǎng)格足夠細(xì)化時(shí)，方法非常有效，可獲得足夠精確的計(jì)算結(jié)果。enhanced、relax stiffness、stiffness、viscous、combined。

?  沙漏控制時(shí)，所設(shè)置的沙漏控制選項(xiàng)數(shù)值大于默認(rèn)值，可能導(dǎo)致沙漏剛度過大而出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定；

?  一般采用默認(rèn)，默認(rèn)出現(xiàn)沙漏模式，往往是由于網(wǎng)格太稀疏，最好修改網(wǎng)格。

l  選擇其他單元類型：非協(xié)調(diào)單元不會(huì)出現(xiàn)沙漏模式問題，適用于abaqus/standard各種分析；

l  避免將載荷或邊界條件只定義在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。將點(diǎn)載荷或點(diǎn)上的邊界條件定義在一個(gè)包含該點(diǎn)的小區(qū)域上，有利于避免沙漏模式的擴(kuò)展。

剪切自鎖：

定義：單元的位移場(chǎng)不能模擬由于彎曲而引起的剪切變形和彎曲變形；

何時(shí)出現(xiàn)：彎曲變形的線性完全積分單元中出現(xiàn)；

原因：

n  線性單元的直邊不能承受彎曲載荷作用，分析過程中可能出現(xiàn)本來不存在的虛假剪應(yīng)力，是單元的彎曲剛度過大，計(jì)算的位移值偏?。?/span>

n  二次單元的邊可發(fā)生彎曲，一般不會(huì)出現(xiàn)剪切自鎖現(xiàn)象。（單元畸變非常

嚴(yán)重，或應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，存在彎曲應(yīng)力梯度，二次單元也會(huì)出現(xiàn)某種程度的閉鎖現(xiàn)象）。

特點(diǎn)：剪切自鎖僅影響受彎曲載荷作用的完全積分線性單元；

措施：考慮采用非協(xié)調(diào)單元或減縮積分單元。

體積自鎖：

定義：完全積分單元受到過度約束時(shí)的一種閉鎖現(xiàn)象；

特點(diǎn)：如果材料是不可壓縮的或近似于不可壓縮，完全積分單元可能變得特別剛

硬而不產(chǎn)生體積變形；

評(píng)判：各個(gè)積分點(diǎn)之間或各個(gè)單元之間的靜水壓力出現(xiàn)急劇變化；（后處理中繪

制靜水壓應(yīng)力云紋圖，突變，呈棋盤形分布，有可能出現(xiàn)體積自鎖。）

措施：

l  合適單元類型：雜交

l  細(xì)化網(wǎng)格：塑性應(yīng)變較大的區(qū)域劃分足夠細(xì)化的網(wǎng)格；