PABAQUS减缩积分与完全积分认识整理.docx

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PABAQUS减缩积分与完全积分认识整理

[P]ABAQUS减缩积分与完全积分认识整理

ABAQUS减缩积分与完全积分认识

一引言

[模型不易收敛时可以尝试取消勾选减缩积分选项（对应三维单元C3D8R），即，使用完全积分单元（C3D8），一定程度上可以提高计算收敛性]（来自叶新宇），如图1~2所示。

图1减缩积分单元C3D8P（其中P为渗流计算孔压单元）

图2完全积分单元C3D8P（其中P为渗流计算孔压单元）

以下整理了论坛和书籍上关于减缩积分及完全积分单元的相关阐述，以供大家学习交流。

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三单元类型背景知识（来自书籍）

（说明：

以下内容基本同于《abaqus有限元分析常见问题解答》9.1节）

在ABAQUS中，基于应力/位移的实体单元类型最为丰富：

（1）在ABAQUS/Sandard中，实体单元包括二维和三维的线性单元和二次单元，均可以采用完全积分或缩减积分（abaqus中只有四边形和六面体单元才允许使用减缩积分单元），另外还有修正的二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元（四面体单元），以及非协调模式单元和杂交单元。

（2）ABAQUS/Explicit中，实体单元包括二维和三维的线性缩减积分单元，以及修正的二次二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元（四面体单元），没有二次完全积分实体单元。

按照节点位移插值的阶数，ABAQUS里的实体单元可以分为以下三类：

线性单元（即一阶单元）：

仅在单元的角点处布置节点，在各个方向都采用线性插值。

二次单元（即二阶单元）：

在每条边上有中间节点，采用二次插值。

修正的二次单元（只有Tri或Tet才有此类型）：

在每条边上有中间节点，并采用修正的二次插值。

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1线性完全积分单元：

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。

缺点：

承受弯曲载荷时，会出现剪切自锁，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。

2二次完全积分单元：

优点：

（1）应力计算结果很精确，适合模拟应力集中问题；

（2）一般情况下，没有剪切自锁问题（shearlocking）。

但使用这种单元时要注意：

（1）不能用于接触分析；

（2）对于弹塑性分析，如果材料不可压缩（例如金属材料），则容易产生体积自锁（volumetriclocking）；

（3）当单元发生扭曲或弯曲应力有梯度时，有可能出现某种程度的自锁。

3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；

线性缩减积分单元：

只在单元的中心有一个积分点，由于存在沙漏数值问题（hourglass）而过于柔软。

采用线性缩减积分单元模拟承受弯曲载荷的结构时，沿厚度方向上至少应划分四个单元。

优点：

（1）对位移的求解计算结果较精确；

（2）网格存在扭曲变形时（例如Quad单元的角度远远大于或小于90º），分析精度不会受到明显的影响；

（3）在弯曲载荷下不易发生剪切自锁。

缺点

（1）需要较细网格克服沙漏问题；

（2）如果希望以应力集中部位的节点应力作为分析目标，则不能选用此单元。

     ——因为线性缩减积分单元只在单元的中心有一个积分点，相当于常应力单元，在积分点上的应力结果实相对精确的，而在经过外插值和平均后得到的节点应力则不精确。

4二次减缩积分单元

不但保持线性减缩积分单元的上述优点，还具有如下特点：

（1）即使不划分很细的网格也不会出现严重的沙漏问题；

（2）即使在复杂应力状态下，对自锁问题也不敏感。

使用这种单元要注意：

（1）不能用于接触分析；

（2）不能用于大应变问题；

（3）存在与线性减缩积分单元类似的问题，由于积分点少，得到的节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。

5非协调模式单元

仅在ABAQUS/Standard有，可克服线性完全积分单元中的剪切自锁问题。

ABAQUS中的非协调模式单元（imcompatiblemodes）和MSC.NASTRAN中的4节点四边形单元或8节点六面体单元很相似，所以在比较着两种有限元软件的计算结果时会发现，如果在ABAQUS中选择了非协调模式单元，得到的分析结果会和MSC.NASTRAN的结果一致。

优点：

（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果，而计算成本却明显降低；

（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。

但使用这种单元时要注意：

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。

6使用Tri或Tet单元注意事项

如果能用Quad或Hex单元，就尽量不要使用Tri或Tet单元；

（1）线性Tri或Tet单元的精度很差，不要在模型中所关心的部位及其附近区域使用；

（2）二次Tri或Tet单元的精度较高，而且能模拟任意的几何形状，但计算代价比Quad或Hex单元大。

（3）二次Tet单元（C3D10）适于ABAQUS/Standard中的小位移无接触问题；

  修正的二次Tet单元（C3D10M）适于ABAQUS/Explicit和ABAQUS/Standard中的大变形和接触问题；

（4）使用自有网格不易通过布置种子来控制实体内部的单元大小。

7杂交单元 

在ABAQUS/Standard中，每一种实体单元都有其对应的杂交单元，

用于不可压缩材料（泊松比为0.5，如橡胶）或近似不可压缩材料（泊松比大于0.475）。

除了平面应力问题之外，不能用普通单元来模拟不可压缩材料的响应，因为此时单元中的应力士不确定的。

ABAQUS/Explicit中没有杂交单元。

******************************************************混合使用不同类型的单元：

1、当三维实体几何形状复杂时，无法再整个实体上使用structure结构化网格或sweep扫略网格划分技术得到Hex单元网格，一种常用的做法是：

（1）对实体不重要的部分使用Free自由网格划分技术，生成Tet单元网格，而对于所关心的部分采用结构化网格或扫略网格划分技术，生成Hex单元网格。

（2）在生成这样的网格时，ABAQUS会给出提示信息，提示将生成非协调的网格，在不同单元类型的交界处将自动创建Tie绑定约束。

2、需要注意的是，在不同单元类型网格的交界处，即使单元角部节点是重合的，仍然有可能出现不连续的应力场，而且在交界处的应力可能大幅度的增大。

  如果在同一实体中混合使用线性和二次单元，也会出现类似的问题。

  因此在混合使用不同类型单元时，应确保其交界处远离所关心的区域，并仔细检查分析结果是否正确。