abaqus系列教程-03有限单元和刚性体.doc
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《abaqus系列教程-03有限单元和刚性体.doc》由用户(四川天地人教育)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- abaqus 系列 教程 03 有限 单元 刚性
- 资源描述:
-
1、3.有限单元和刚性体 有限单元和刚性体是ABAQUS模型的基本构件。有限单元是可变形的,而刚性 体在空间运动不改变形状。有限元分析程序的用户可能多少理解有限单元,而对在有 限元程序中的刚性体的一般概念可能多少会感到陌生。 为了提高计算效率,ABAQUS 具有一般刚性体的功能。任何物体或物体的局部可 以定义作为刚性体;大多数的单元类型都可以用于刚性体的定义(例外的类型列出在 ABAQUS 分析用户手册第2.4.1节“ Rigid Body definition ”)。刚性体比变形体的优越 性在于对刚性体运动的完全描述只需要在一个参考点上的最多六个自由度。相比之下, 可变形的单元拥有许多自由度,需
2、要昂贵的单元计算才能确定变形。当这变形可以忽 略或者并不感兴趣时,将模型一个部分作为刚性体可以极大地节省计算时间,并不影 响整体结果。 3.1有限单元 ABAQUS 提供了广泛的单元, 其庞大的单元库为你提供了一套强有力的工具以解 决多种不同类型的问题。在 ABAQUS/Explicit中的单元是在ABAQUS/Standard 中的单 元的一个子集。本节将介绍影响每个单元特性的五个方面问题。 3.1.1单元的表征 每一个单元表征如下: 单元族 自由度(与单元族直接相关) 节点数目 数学描述 积分 ABAQUS 中每一个单元都有唯一的名字,例如T2D2,S4R 或者 C3D8I。单元的 名字标
3、识了一个单元的五个方面问题的每一个特征。命名的约定将在本章中说明。 3-1 单元族 图 3-1 给出了应力分析中最常用的单元族。在单元族之间一个主要的区别是每一 个单元族所假定的几何类型不同。 实体单元壳单元梁单元刚体单元 无限单元弹簧和粘壶桁架单元 膜单元 图 3-1常用单元族 在本指南中将用到的单元族有实体单元、壳单元、梁单元、桁架和刚性体单元, 这些单元将在其它章节里详细讨论。本指南没有涉及到的单元族;读者若在模型中对 应用它们感兴趣,请查阅ABAQUS 分析用户手册的第V 部分“ Elements” 。 一个单元名字第一个字母或者字母串表示该单元属于哪一个单元族。例如,S4R 中的 S
4、表示它是壳( shell)单元,而C3D8I 中的 C表示它是实体(contimuum)单元。 自由度 自由度( dof)是在分析中计算的基本变量。对于应力/位移模拟,自由度是在每 一节点处的平动。某些单元族,诸如梁和壳单元族,还包括转动的自由度。对于热传 导模拟,自由度是在每一节点处的温度;因此,热传导分析要求使用与应力分析不同 的单元,因为它们的自由度不同。 在 ABAQUS 中使用的关于自由度的顺序约定如下: 11 方向的平动 22 方向的平动 33 方向的平动 3-2 4绕 1 轴的转动 5绕 2 轴的转动 6绕 3 轴的转动 7开口截面梁单元的翘曲 8声压、孔隙压力或静水压力 9电势
5、 11对于实体单元的温度(或质量扩散分析中的归一化浓度),或者在梁和壳的 厚度上第一点的温度 12 在梁和壳厚度上其它点的温度(继续增加自由度) 除非在节点处已经定义了局部坐标系,方向1、2 和 3 分别对应于整体坐标的1-、 2- 和 3-方向。 轴对称单元是一个例外,其位移和旋转的自由度规定如下: 1r-方向的平动 2z-方向的平动 6r-z 平面内的转动 除非在节点处已经定义了局部坐标系,方向r(径向)和z(轴向)分别对应于整 体坐标的1-和 2-方向。关于在节点处定义局部坐标系的讨论,见第 5 章“应用壳单元” 。 在本指南中我们注意力限于结构应用方面,所以只讨论具有平动和转动自由度的
6、 单元。 关于其它类型的单元的信息(如热传导单元) ,可参考 ABAQUS 分析用户手册。 节点数目插值的阶数 ABAQUS 仅在单元的节点处计算前面提到的位移、转动、温度和其它自由度。在 单元内的任何其它点处的位移是由节点位移插值获得的。通常插值的阶数由单元采用 的节点数目决定。 仅在角点处布置节点的单元,如图3-2(a)所示的 8 节点实体单元,在每一方 向上采用线性插值,常常称它们为线性单元或一阶单元。 在每条边上有中间节点的单元,如图3-2(b)所示的20 节点实体单元,采用 二次插值,常常称它们为二次单元或二阶单元。 在每条边上有中间节点的的修正三角形或四面体单元,如图 3-2(c)
7、所示的 10 节点四面体单元,采用修正的二阶插值,常常称它们为修正的单元或修正的二 3-3 阶单元。 (a)线性单元(b)二次单元(c)修正的二次单元 (8 节点实体单元, C3D8)(20 节点实体单元, C3D20)(10 节点四面体单元, C3D10M) 图 3-2 线性实体、二次实体和修正的四面体单元 ABAQUS/Standard 提供了对于线性和二次单元的广泛的选择。除了二次梁单元和 修正的四面体和三角形单元之外,ABAQUS/Explicit仅提供线性单元。 一般情况下,一个单元的节点数目清楚地标识在其名字中。8 节点实体单元,如 前面所见, 称为 C3D8;8节点一般壳单元称为
8、S8R。梁单元族采用了稍有不同的约定: 在单元的名字中标识了插值的阶数。这样,一阶三维梁单元称为B31,而二阶三维梁 单元称为B32。对于轴对称壳单元和膜单元采用了类似的约定。 数学描述( Formulation) 单元的数学描述是指用来定义单元行为的数学理论。在不考虑自适应网格 (adaptive meshing)的情况下,在ABAQUS 中所有的应力/位移单元的行为都是基于 拉格朗日(Lagrangian)或材料( material )描述:在分析中,与单元关联的材料保持 与单元关联, 并且材料不能从单元中流出和越过单元的边界。与此相反,欧拉(Eulerian) 或空间(Spatial)描
9、述则是单元在空间固定,材料在它们之间流动。欧拉方法通常用 于流体力学模拟。 ABAQUS/Standard 应用欧拉单元模拟对流换热。在 ABAUQS/Explicit 中的自适应网格技术,与纯拉格朗日和欧拉分析的特点组合,它允许单元的运动独立 于材料。在本指南中不讨论欧拉单元和自适应网格技术。 为了适用于不同类型的行为,在ABAQUS中的某些单元族包含了几种采用不同 数学描述的单元。例如,壳单元族具有三种类型:一种适用于一般性目的的壳体分析, 另一种适用于薄壳,余下的一种适用于厚壳。 (这些壳单元的数学描述将在第5 章“应 用壳单元”中给予解释)。 ABAQUS/Standard 的某些单元
10、族除了具有标准的数学公式描述外,还有一些其它 3-4 可供选择的公式描述。具有其它可供选择的公式描述的单元由在单元名字末尾的附加 字母来识别。例如,实体、梁和桁架单元族包括了采用杂交公式的单元,它们将静水 压力(实体单元)或轴力(梁和桁架单元)处理为一个附加的未知量;这些杂交单元 由其名字末尾的“H”字母标识( C3D8H 或 B31H) 。 有些单元的数学公式允许耦合场问题求解。例如, 以字母 C开头和字母T 结尾的 单元(如C3D8T)具有力学和热学的自由度,可用于模拟热力耦合问题。 几种最常用的单元数学描述将在本指南的后面章节中讨论。 积分 ABAQUS 应用数值方法对各种变量在整个单元
11、体内进行积分。对于大部分单元, ABAQUS运用高斯积分方法来计算每一单元内每一个积分点处的材料响应。对于 ABAQUS 中的一些实体单元,可以选择应用完全积分或者减缩积分,对于一个给定的 问题,这种选择对于单元的精度有着明显的影响,如在第4.1 节“单元的数学描述和 积分”中所详细讨论的。 ABAQUS 在单元名字末尾采用字母“R”来标识减缩积分单元(如果一个减缩积 分单元同时又是杂交单元,末尾字母为RH)。例如, CAX4 是 4 节点、完全积分、线 性、轴对称实体单元;而CAX4R 是同类单元的减缩积分形式。 ABAQUS/Standard 提供了完全积分和减缩积分单元;除了修正的四面体
12、和三角形 单元外, ABAQUS/Explicit只提供了减缩积分单元。 3.1.2实体单元 在不同的单元族中,连续体或者实体单元能够用来模拟范围最广泛的构件。顾名 思义,实体单元简单地模拟部件中的一小块材料。由于它们可以通过其任何一个表面 与其它单元相连,实体单元就像建筑物中的砖或马赛克中的瓷砖一样,因此能够用来 构建具有几乎任何形状、承受几乎任意载荷的模型。ABAQUS具有应力 /位移和热 力耦合的实体单元;本指南中将只讨论应力/位移单元。 在 ABAQUS中,应力 /位移实体单元的名字以字母“C”开头。随后的两个字母 一般(并不总是)表示维数,即单元的有效自由度数目。字母“3D”表示三维
13、单元; “AX ”,表示轴对称单元; “PE”,表示平面应变单元;而“PS”,表示平面应力单元。 在第四章“应用实体单元”中,将对应用实体单元展开进一步的讨论。 3-5 三维实体单元库 三维实体单元可以是六面体形(砖形)、楔形或四面体形。关于三维实体单元 的详细目录和每种单元中节点的连接方式,请参阅ABAQUS分析用户手册的第 14.1.4 节“Three-dimensional solid element library ” 。 在 ABAQUS中,应尽可能地使用六面体单元或二阶修正的四面体单元。一 阶四面体单元 (C3D4)具有简单的的常应变公式,为了得到精确的解答需要非常 细划的网格。
14、二维实体单元库 ABAQUS 拥有几种离面行为互不相同的二维实体单元。二维单元可以是四边 形或三角形。应用最普遍的三种二维单元如图3-3 所示。 图 3-3平面应变,平面应力和无扭曲的轴对称单元 平面应变( plainstrain)单元假设离面应变 33为零;它们可以用来模拟厚结 构。 平面应力( plain stress)单元假设离面应力 33为零;这类单元适合于用来模 3-6 拟薄结构。 无扭曲的轴对称单元,CAX类单元,可模拟360 的环;它们适合于分析具 有轴对称几何形状和承受轴对称荷载的结构。 ABAQUS/Standard 也提供了广义平面应变单元、可以扭曲的轴对称单元和具 有反对
15、称变形的轴对称单元。 广义平面应变单元包含了对原单元的推广,即离面应变可以随着模型平面内的 位置发生线性变化。这种单元列式特别适合于厚截面的热应力分析。 带有扭曲的轴对称单元可以模拟初始时为轴对称几何形状,但能沿对称轴发生 扭曲的模型。它们适合于模拟圆桶形结构的扭转,如轴对称的橡胶套管。 带有反对称变形的轴对称单元可以模拟初始时为轴对称几何形状,但能反对称 变形的物体(特别是作为弯曲的结果)。它们适合于模拟诸如承受剪切载荷的 轴对称橡胶支座的问题。 在这本指南中不讨论上面提到的这三种二维实体单元。 二维实体单元必须在1-2 平面内定义,并使节点编号顺序绕单元周界是逆时 针的,如图3-4 所示。
16、 图 3-4二维单元正确的节点布局 当使用前处理器生成网格时,要确保所有点处的单元法线沿着同一方向,即 正向,沿着整体坐标的3 轴。不能提供正确的单元节点布局将引起ABAQUS 给 出单元具有负面积的出错信息。 自由度 所有的应力 /位移实体单元在每一节点处有平动自由度。相应的在三维单元 中,自由度 1、2和 3 是有效的, 而在平面应变单元、平面应力单元和无扭曲的轴 3-7 对称单元中,只有自由度1 和 2是有效的。关于其它类型的二维实体单元的有效 自由度,请参阅ABAQUS分析用户手册的第14.1.3 节“ Two-dimensional solid element library” 。
17、单元性质 所有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, 或者采用为1 的默认值。 数学描述和积分 在 ABAQUS/Standard 中,关于实体单元族有可供选择的数学描述,包括非协 调模式(incompatible mode)的数学描述(在单元名字的最后一个或倒数第二个 字母为 I)和杂交单元的数学描述(单元名字的最后一个字母为H),在本指南的 后面章节中将详细讨论它们。 在 ABAQUS/Standard 中,对于四边形或六
18、面体(砖形)单元,可以在完全积 分和减缩积分之间进行选择。在ABAQUS/Explicit中,只能使用减缩积分的四边 形或六面体实体单元。数学描述和积分方式都会对实体单元的精度产生显著的影 响。如在第4.1 节“单元的数学描述和积分”中所讨论的。 单元输出变量 默认情况下,诸如应力和应变等单元输出变量都是参照整体笛卡尔直角坐标 系的。 因此, 在积分点处 11应力分量是作用在整体坐标系的 1 方向, 如图 3-5(a) 所示。即使在一个大位移模拟中单元发生了转动,如图3-5(b)所示,仍默认是在 整体笛卡尔坐标系中定义单元变量。 3-8 图 3-5对于实体单元默认的材料方向 然而, ABAQU
19、S 允许用户为单元变量定义一个局部坐标系(见第5.5 节“例题: 斜板”)。该局部坐标系在大位移模拟中随着单元的运动而转动。当所分析的物体具有 某个自然材料方向时,如在复合材料中的纤维方向,局部坐标系将会是十分有用的。 3.1.3壳单元 壳单元用来模拟那些一个方向的尺寸(厚度)远小于其它方向的尺寸,并且沿厚 度方向的应力可以忽略的结构。 在 ABAQUS 中,壳单元的名字以字母 “S”开头。所有轴对称壳单元以字母“SAX” 开头。在ABAQUS/Standard中也提供了带有反对称变形的轴对称壳单元,它以字母 “ 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
20、节点的数目,而在轴对称壳单元名字中的第一个数字表示插值的阶数。 在 ABAQUS中具有两种壳单元:常规的壳单元和基于连续体的壳单元。通过定 义单元的平面尺寸、它的表面法向和初始曲率,常规的壳单元对参考面进行离散。另 一方面,基于连续体的壳单元类似于三维实体单元,它们对整个三维物体进行离散和 建立数学描述,其动力学和本构行为是类似于常规壳单元的。在这本手册中,仅讨论 常规的壳单元。 因而, 我们将常规的壳单元简单称为“壳单元”。关于基于连续体的壳 单元的更多信息,请参阅ABAQUS分析用户手册的第15.6.1 节“Shell elements: overview” 。 关于壳单元的应用,将在第5
21、 章“应用壳单元”中详细讨论。 3-9 壳单元库 在 ABAQUS/Standard 中,一般的三维壳单元有三种不同的数学描述:一般性 目的的壳单元(general-purpose)、仅适合薄壳单元(thin-only )和仅适合厚壳单 元( thick-only )。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。三维“厚”和“薄”壳单元类型提供了任意大转动, 但是仅考虑了小应变。 一般性目的的壳单元允许壳的厚度随着单元的变形而改变。 所有其它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。 在程序中包含有线性和二次插值的三角形和四边形单元,
展开阅读全文