abaqus系列教程05应用壳单元Word格式文档下载.docx

1、图5-1 在数值积分壳中截面点的分布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。对性质均匀的壳单元，ABAQUS默认在厚度方向上取5个截面点，对于大多数非线性设计问题这是足够了。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（在这种情况下一般采用9个截面点是足够了）。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。如果选择仅在模拟开始时计算横截面刚度，材料行为必须是线弹性的。在这种情况下，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。如果需要输出应力或应变，

2、在壳底面、中面和顶面，ABAQUS提供了默认的输出值。 壳法线和壳面壳单元的连接方式定义了它的正法线方向，如图5-2所示。图5-2 壳的正法线对于轴对称壳单元，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

3、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，对于壳单元是相反于对实体单元的约定；基于表面的压力载荷的约定（surface-based pressure load），对于壳单元是相同于对实体单元的约定。关于在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分析用户手册的第节“Concentrated and distributed loads”。） 壳的初始曲率在ABAQUS中壳（除了单元类型S3/S3R、S3RS、S4R、S4RS、S4RSW和STRI3之外）的公式是描述了真实的曲壳单元；真实的曲壳单元需要特别关注对初始壳面曲

4、率的精确计算。在每一个壳单元的节点处，ABAQUS自动地计算表面法线来估算壳的初始曲率。应用相当精确的算法确定每一节点处的表面法线，在ABAQUS分析用户手册节“Defining the initial geometry of conventional shell elements”中详细地讨论这种算法。若采用图5-3所示的粗网格，在连接邻近单元的同一个节点上，ABAQUS可能会得到多个独立的表面法线。在单一节点上有多个法线的物理意义是在享用共同节点的单元之间有一条折线。而你可能打算模拟这样一个结构，更希望它是一个拥有平滑曲面的壳体；ABAQUS将尝试在这种节点处创建一个平均的法线从而使得壳面

5、平滑。图5-3 网格细划对节点处表面法线的影响所采用的基本平滑算法如下：如果与同一节点连接的所有壳单元在该节点处的法线相互之间的夹角在以内，则这些法线将被平均化。平均法线将用作为所有与该节点相连的单元在该节点的法线。 如果ABAQUS未能光滑壳面，在数据文件中（.dat）将发出一个警告信息。有两种方法可以改变默认的算法。为了在曲壳中引入折线或者用粗网格模拟曲壳，或者是在节点坐标后面给出n2的分量，作为第4、第5和第6个数据值（这种方法需要在文本编辑器中人工编辑由ABAQUS/CAE创建的输入文件）；或者应用*NORMAL选项，直接规定法线方向（应用ABAQUS/CAE的Keywords Edi

6、tor（关键词编辑器）可以加入这个选项，见第节，“Cross-section orientation”）。如果应用两种方法，后者优先。关于进一步详细的信息，请查阅ABAQUS分析用户手册的第节“Defining the initial geometry of conventional shell elements”。 参考面的偏置（referance surface offset）通过壳单元的节点和法线的定义来定义壳的参考面。当用壳单元建模时，典型的参考面是重合于壳体的中面。然而在很多情况下，提出将参考面定义为中面的偏置更为方便。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

7、。在这种情况下，定义参考面并与由CAD创建的面一致是更容易的，因此，该参考面偏置于壳体的中面。Datum，并定义一个圆柱数据坐标系。2.选择Assign-Material Orientation给部件赋于一个局部材料方向。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。 选择壳单元 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）。 线性、有限薄膜应变、减缩积分、四边形壳单元（S4R）是强健的

8、，并适合应用于广泛的问题。 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，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。 在复合材料层合壳模型中，为了考虑剪切变形的影响，采用适合于模拟厚壳问题的单元（S4, S4R, S3/S3R, S8R）；并检验平截面保持平面的假定是否满足。 四边形或三角形的二次壳单元，对于应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。 如果在接触模拟中一定要使用二阶单元，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）。 对于规模非常大但仅经历

9、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。 对于包含任意的大转动和小薄膜应变的显式动态问题，小薄膜应变单元是有效的。 例题：斜板在这个例题中，要求模拟如图5-9所示的板，该板与整体1轴的夹角为30 ，一端固支，另一端约束住了，但仅可沿平行于板轴的轨道运动。当板在均布载荷作用下，需要确定跨中的挠度，也要评估线性分析对于该问题是否有效。计算分析将采用ABAQUS/Standard。图5-9 斜板示意图 前处理用ABAQUS/CAE建立模型为了进行这个模拟，应用ABAQUS/CAE创建整体模型。在本手册的在线文档第节“Skew plate”提供了输入文件

10、。当通过ABAQUS/CAE运行这个输入文件时，将创建关于该问题的完整的分析模型。根据下面给出的指导如果你遇到困难，或者如果你希望检查你的工作，则可以运行这个输入文件。在附录A“Example Files”中，给出了如何提取和运行输入文件的指导。如果你没有进入ABAQUS/CAE或者其它的前处理器，可以人工创建关于这个问题的输入文件，关于这方面的讨论，见Getting Started with ABAQUS/Standard：Keywords Version，第节“Example：Skew plate”。在开始建模前，需要确定所使用的量纲系统。本例给出的尺寸单位为cm，但是给出的载荷和材料属性

11、的单位为MPa和GPa。由于它们在量纲上不匹配，在模型应用中必须选择一致性的量纲系统，并在输入数据中进行必要的换算。在以下的讨论中，采用牛顿、米、千克和秒的国际量纲系统。定义模型的几何形状启动ABAQUS/CAE，进入Part（部件）模块，并创建一个带有平面壳体基本特征的三维变形体，命名该部件为Plate，并指定一个大致的部件尺寸为。在下面的过程中，列出了一个所建议的创建部件几何形状的步骤：绘制板几何：1.在绘图区，用Create Lines（创建线）: Connected（连接）工具绘制一条长度为 m的竖直线。2.应用Create Construction（创建辅助项）: Line at a

12、n Angle（角度辅助线）工具，通过直线的每个端点，创建一条与水平线成30 角方向的辅助线。3.【4.应用Create Isolated Point（创建独立点）工具，在竖直线的右边画一个与该线的水平距离为 m的独立点，然后通过这一点绘制一条竖直方向的辅助线。5.使用Create Lines: Connected工具，利用已建立的辅助线之间的交点定位各个角点，绘制出斜矩形图。最终的绘图如图5-10所示。6.在提示区，点击Done完成绘制。图5-10 绘制板的几何形状定义材料、截面特性和局部材料方向板的材料是各向同性的线弹性材料，其弹性模量E = 30109 Pa，泊松比v = 。进入Prop

13、erty（特性）模块并创建材料定义；命名材料为Steel。在整体坐标系下结构的方向如图5-9所示。整体笛卡尔坐标系定义了默认的材料方向，但是该板相对于这个坐标系统是倾斜的，如果使用默认的材料方向，解释模拟的结果将是非常不容易的，因为沿着材料1方向上的正应力将包含来自板弯曲产生的轴向应力和与板轴线垂直的横向应力的贡献。如果材料的方向是倾斜于板的轴线和与横向方向一致，则很容易解释模拟的结果。因此，需要定义一个局部的直角坐标系，它的局部方向沿着板的轴向（即与整体坐标系1轴的夹角为30 ），轴方向也位于板的平面内。定义壳的截面特性和局部材料方向：1.2.定义一个均匀的壳体截面，命名为PlateSect

14、ion。赋值壳体厚度为，并将Steel材料定义到截面上。由于材料是线弹性，所以在分析前指定截面积分的计算。3.使用Create Datum CSYS: 2 Lines（两线法）工具，定义一个直角基准坐标系，如图5-11所示。图511 用于定义局部材料方向的基准坐标系4.从主菜单栏中，选择Assign-Material Orientation，并选择整个部件作为将应用局部材料方向的区域。在视图中，选择刚建立的基准坐标系，选择Axis3作为壳体法线近似的方向，无需绕此轴进行额外的旋转。提示：为了检验已经赋值的局部材料方向是否正确，从主菜单栏中，选择Tools-Query，进行关于材料方向的性能查询

15、。一旦在模型中的部件被网格剖分和创建成单元后，所有的单元变量将被定义在这个局部坐标系下。4最后，将截面的定义赋值于板。创建装配件、定义分析步骤和指定输出要求 在Assembly（装配件）模块中创建斜板部件的实体（instance）。在退出装配件模块前定义几何集合体，以便于定义输出要求和边界条件。首先，需要在板的跨中位置（Midspan）将平板分割成两个区域以创建几何集合体。分割板和定义几何集合:（1. 应用Partition Face（切割面）: Shortest Path Between 2 Points（两点间最短路径）工具，分割板为两个半区，采用板的斜边的中点创建切割分区，如图5-12所

16、示。图512 应用分割在板的跨中定义几何集合体2. 选择Tools-Set-Create为跨中创建一个几何集合, 命名为MidSpan。类似地，为板的左和右边界各创建一个几何集合，分别命名为EndA和EndB。通过选择主菜单栏中的Tools-Manager，可以查看已有的几何集合。在Set Manager（集合管理器）对话框中，双点击集合的名称。所选择的集合在视图窗中以高亮度显示，若需要时可以对其定义进行编辑。接下来，在Step模块中创建一个一般静态（static, general）分析步，命名为Apply Pressure，并给出下面的步骤描述：Uniform pressure （20 kP

17、a） load。接受所有的对分析步的默认设置。在所需要的输出中，有节点位移、约束反力和单元应力作为场变量输出数据，这些数据将应用于在Visualization（可视化）模块中创建变形形状图、等值线图和数据报表。你也希望将跨中的位移写入历史数据，以便在可视化模块中创建X-Y曲线图。修改默认的输出请求:1.编辑场变量输出设置，因此只有整个模型的节点位移、约束反力和单元应力作为场变量数据写入到.odb文件中。2.编辑历史输出设置，因此只有MidSpan几何集合的节点位移作为历史变量数据写入到.odb文件中。施加边界条件和荷载如图5-9所示，板的左端是完全固支的；右端约束住了，但仅可沿平行于板的轴向的

18、轨道移动。由于右端边界条件的方向与整体坐标轴不一致，必须定义一个局部坐标系，使一个轴与板的走向一致。你可以利用前面为定义局部材料方向而创建的坐标系。在操作之前，切换到Load（载荷）模块。在局部坐标系中定义边界条件：1. 选择BC-Create，在Apply Pressure分析步中，定义Displacement/Rotation（位移/转动）力学边界条件，命名为Rail boundary condition。在本例中，将边界条件定义在集合上，而不是直接在图形窗中选定区域。因此，当提示选择施加边界条件的区域时，在图形窗中的提示区，点击Sets（集合）。2. 从显示的Region Selecti

19、on（区域选择）对话框中，选择集合EndB。选中Highlight selections in viewport（高亮度显示选择区域）以确保选择了正确的集合，此时板的右侧边会高亮度显示。点击Continue。3. 在Edit Boundary Condition（编辑边界条件）对话框中，点击Edit（编辑）以指定边界条件将要采用的局部坐标系。在图形窗中，选择前面为定义局部材料方向而创建的坐标系，局部1方向与板的轴向一致。4. 在Edit Boundary Condition对话框中，固定除了U1以外的所有自由度。现在，板的右边界被限制住了，仅能沿平行于板的轴向移动。一旦对板的模型剖分了网格和生

20、成了节点，所有打印的与这个区域相关的节点输出值（位移、速度、约束反力等）都将被定义在这个局部坐标系中。通过固定在平板左端（集合EndA）全部的自由度，完成了边界条件的定义。命名这个边界条件为Fix left end。对于这个边界条件采用默认的整体方向。最后，在壳体的上部定义一均布压力载荷，命名为Pressure，应用Shift+点击，选择部件的两个分区，并选定壳体的顶面（Magenta（紫红色）箭头）作为施加压力载荷的面。为了更加清楚的区分板的顶面，可以旋转视图。指定载荷值为 Pa。创建网格和定义作业图5-13显示了对于该模拟所建议的网格剖分。图5-13 对于斜板模拟所建议的网格设计在选择单元类型前，必须回答以下问题：板是薄或者是厚应变是小或者是大板是相当薄的，采用的厚度与最小跨度之比为（厚度为 cm，最小的跨度为40 cm）。当我们现在不能轻易地预测出在结构中的应变量级时，我们认为应变是小的。基于这个信息，选用二次壳单元（S8R5），其原因是在小应变模拟中，对于薄壳这类单元将给出精确的结果。关于壳单元选择的进一步详细内容，请参阅ABAQUS分析用户手