ABAQUS 連續殼 沙漏控制的案例
有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列3：S4殼單元剪切自鎖和沙漏控制
商用軟件對外就是一個黑盒子，除了開發人員，使用人員只能在黑盒子外猜測內部實現方式，一方面我們查閱Abaqus軟件手冊得到修正方法的說明，另一方面我們自己編程實現簡單的結構有限元求解器，通過自研求解器和Abaqus的結果比較結合理論手冊如同管中窺豹一般來研究Abaqus的修正方法，從而猜測商用有限元軟件的內部計算方法。為了理解方便有很多問題在數學上其實并不嚴謹，同時由于水平有限也可能有許多的理論錯誤，歡迎交流討論。
==以往的系列文章==
第一篇：S4殼單元剛度矩陣研究 http://www.yqgqt.org.cn/content/post/338859
研究基于Mindlin厚殼理論的S4殼單元的剛度矩陣在Abaqus中的實現方式
第二篇：S4殼單元質量矩陣研究 http://www.yqgqt.org.cn/content/post/343905
研究一致質量矩陣和集中質量矩陣在Abaqus的S4殼單元和Nastran的Quad4殼單元中的實現方式
==第三篇：S4殼單元剪切自鎖和沙漏控制==
商用有限元軟件的健壯性體現在對各種特殊情況，求解過程和解的正確性依然能得到保證，而這些特殊情況在自編程序中如果沒有考慮到，那么結果就可能相差極大。其中剪切自鎖和沙漏現象是最常見的會影響正確性的兩個特殊情況。這兩者具有相似性，所以我們在本文中一起研究Abaqus中線性殼單元S4針對這兩種情況下的內部實現方式。剪切自鎖和沙漏現象影響的是剛度矩陣和應力，我們研究方式是在自編程序iSolver中根據成熟的消除剪切自鎖和沙漏控制的理論實現剛度矩陣的修正，通過比較同一模型的Abaqus的剛度矩陣結果，結合幫助文檔猜測Abaqus軟件單元消除剪切自鎖和控制沙漏的內部實現方法。
展開 【JY】Abaqus“殼”單元概述與應用（三）——非線性擬協調固體連續殼單元CSS8
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傳統固體殼單元在處理幾何非線性、材料非線性及復雜邊界條件時，存在諸多難以克服的缺陷，這促使研究者探索新的單元構造方法。非線性擬協調固體殼單元的提出，正是為了突破這些局限，其研究動因主要源于以下幾方面：
（一）傳統固體單元的固有缺陷
自鎖現象普遍存在
傳統固體單元（如C3D8R）在模擬薄板殼結構時，易出現剪切自鎖、薄膜自鎖、體積自鎖等問題。剪切自鎖源于單元位移插值無法準確表征純彎曲狀態下的零剪切應變，導致計算結果剛度偏高；薄膜自鎖則因低階形函數無法捕捉不可伸縮彎曲模式下的面內應變分布，使位移被低估；體積自鎖多見于近不可壓縮材料分析，由于單元無法準確描述等體積運動，導致體積變化被過度約束。這些自鎖現象嚴重影響計算精度，尤其是在粗網格或大長高比結構中表現更為突出。
計算效率與精度的矛盾
為克服自鎖問題，需要采用增強假設應變法（EAS）、假設自然應變法（ANS）或雜交應力法等，這些方法往往需要引入額外的內部參數或復雜的數值積分，使得單元列式復雜、相對殼單元計算成本增加。
幾何非線性處理的局限性
現有非線性固體殼單元多基于連續體變形梯度的極分解處理幾何非線性，該方法不僅計算量大，且在 Cartesian 坐標系下難以保證旋轉描述的準確性。在大變形、大轉動問題中，極分解可能導致切線剛度矩陣奇異，影響迭代收斂性。此外，傳統單元在處理不規則網格或畸變網格（如C3D8I）時，精度衰減明顯，難以滿足工程對復雜結構分析的需求。
展開 Abaqus有限元仿真分析中的沙漏控制方法與設置
abaqus中沙漏的產生是一種數值問題，單元自身存在的一種數值問題，舉個例子，對于單積分點線性單元，單元受力變形沒有產生應變能，也叫0能量模式，在這種情況下，單元沒有剛度，所以不能抵抗變形，不合理，所以必須避免這種情況的出現，需要加以控制，既然沒有剛度，就要施加虛擬的剛度以限制沙漏模式的擴展，人為加的沙漏剛度就是這么來的。下面，小編就給大家分享一下"Abaqus有限元仿真分析中的沙漏控制方法與設置"。
沙漏的定義
沙漏（hourglassing）的產生是一種數值問題，是單元自身存在的一種數值問題。一般出現在采用縮減積分單元的情況下：比如一階四邊形縮減積分單元，該單元有四個節點“o”，但只有一個積分點"*"。而且該積分點位于單元中心位置，此時如果單元受彎曲或者受剪切作用，則必然會發生變形，如下圖所示。
單元原始狀態、單元受剪切作用變形、單元受彎曲作用變形
對于單積分點線性單元，單元雖然受力后產生變形，但并沒有產生應變能--也叫零能量模式。在這種情況下，單元沒有剛度，所以不能抵抗變形，顯然這樣的結論是不合理的，所以必須避免這種情況的出現，需要加以控制，既然沒有剛度，就要施加虛擬的剛度以限制沙漏模式的擴展，人為加的沙漏剛度就是這么來的。
沙漏的控制方法
目前常用的沙漏控制算法大致分為兩類：粘性阻尼算法和彈性剛度算法。這兩種算法分別通過引入沙漏變形方向上的阻尼約束力和剛度約束力來控制沙漏變形。
由于引入了沙漏控制力，同時就會產生沙漏能量損失，對于系統的能量平衡產生影響。在某些工程問題中，采用沙漏控制方法并不能完全解決沙漏問題，對于這類問題，可采用多點積分的單元來解決，當然計算成本也會大大增加。
ABAQUS中沙漏的設置
在ABAQUS/CAE中，可以方便地在ElementType界面下進行沙漏的設置。
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