中殼
關(guān)注創(chuàng)建者：三毛1992 創(chuàng)建時間：2021-03-28
中殼的實(shí)例教程
ABAQUS中殼的材料方向
當(dāng)結(jié)構(gòu)一個方向的尺度（厚度）遠(yuǎn)小于其它方向的尺度，并忽略沿厚度方向的應(yīng)力時，可以用殼單元進(jìn)行模擬。在ABAQUS中具有兩種殼單元：常規(guī)的殼單元和基于連續(xù)體的殼單元。
與實(shí)體單元不同，每個殼體單元都使用局部材料方向。
1、默認(rèn)的局部材料方向
局部材料的1和2方向位于殼面內(nèi)，默認(rèn)的局部1方向是整體坐標(biāo)1軸在殼面上的投影，如果整體1軸垂直于殼面，則將整體3方向投影到殼面形成1方向，殼面的正法線方向?yàn)?方向，對于殼面內(nèi)的2方向，利用3x1=2方向（3方向叉積1方向）確定。即局部的1、2、3方向構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
然而，在更多的情況下，利用默認(rèn)的局部材料設(shè)置并不能順利完成定義，尤其是對于曲面、圓筒等結(jié)構(gòu)，而此時就需要利用其它方法定義合適的材料方向。
2、可變的材料方向
應(yīng)用局部的直角、圓柱或者球坐標(biāo)系，可以代替整體坐標(biāo)系，如下圖所示。定義局部坐標(biāo)系（x',y',z'）的方向，并使局部坐標(biāo)軸的方向與材料方向一致。為此，必須先指定一個最接近垂直于殼體的局部軸，以及繞該軸的旋轉(zhuǎn)量（如果需要）。ABAQUS按照坐標(biāo)軸的循環(huán)順序（1,2,3）及用戶的選擇將坐標(biāo)軸投影到殼體上，從而構(gòu)成材料的1方向。例如，如果選擇了x'軸，ABAQUS將y'軸投影到殼體上而構(gòu)成材料的1方向。由殼法線和材料1方向的叉積來確定2方向。
如果這些局部坐標(biāo)軸沒有建立理想的材料方向，就需要用到前面設(shè)置的繞軸轉(zhuǎn)動了。在將軸投影前，先按照該轉(zhuǎn)動量進(jìn)行轉(zhuǎn)動，然后投影得到最終的局部材料方向。
展開 Abaqus中殼單元的選擇
如果一個薄壁構(gòu)件的厚度遠(yuǎn)小于其典型整體結(jié)構(gòu)尺寸（一般為小于1/ 10 ），并且可以忽略厚度方向的應(yīng)力，就可以用殼單元來模擬此結(jié)構(gòu)。殼體問題可以分為兩類：薄殼問（忽略橫向剪切變形）和厚殼問題（考慮橫向剪切變形）。對于單一各向同性材料，一般厚度和跨度的比值小于1/ 15 時，可以認(rèn)為是薄殼；大于1/ 15 時，則可以認(rèn)為是厚殼。對于復(fù)合材料，這個比值需要更小一些。
ABAQUS 的殼單元可以有多種分類方法，按照薄殼和厚殼可劃分為：
1)通用目的 (general-purpose) 殼單元：此類單元對薄殼和厚殼問題均有效。
2) 特殊用途 (special-purpose) 殼單元：包括純薄殼(thin-only) 單元和純厚殼(thick-only) 單元。
根據(jù)單元的定義方式，還可以將ABAQUS 殼單元劃分為：
1) 常規(guī)(conventional) 殼單元：通過定義單元的平面尺寸、表面法向和初始曲率來對參考面進(jìn)行離散，只能在截面屬性中定義殼的厚度，而不能通過節(jié)點(diǎn)來定義殼的厚度。
2) 連續(xù)體( continuum) 殼單元：類似于三維實(shí)體單元，對整個三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。
選擇殼單元的類型時可以遵循以下原則。
1) 對于薄殼問題，常規(guī)殼單元的性能優(yōu)于連續(xù)體殼單元；而對于接觸問題，連續(xù)體殼單元的計算結(jié)果更加精確，因?yàn)樗茉陔p面接觸中考慮厚度的變化。
2) 如果需要考慮薄膜模式或彎曲模式的沙漏問題，或模型中有面內(nèi)彎曲，在 ABAQUS/Standard 中使用s4單元 (4 節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性完全積分殼單元)可以獲得很高的精度。
3) S4R 單元 (4 節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元)性能穩(wěn)定，適用范圍很廣。
展開 abaqus中殼的局部材料方向.pdf
默認(rèn)情況下，D3PLOT結(jié)果文件中殼單元應(yīng)力/應(yīng)變是用全局坐標(biāo)系表示，而ELOUT、結(jié)果文件中殼單元應(yīng)力/應(yīng)變是用單元坐標(biāo)系表示。殼單元坐標(biāo)系的定義為：N1指向N2為坐標(biāo)系X軸正向，單元法向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系的Z向。當(dāng)然也有例外，如殼單元庫中單元類型為18、20、21的單元，由于它們只能用于特定的線性分析，因此它們的應(yīng)力也只可以用全局坐標(biāo)系表示。而對于大多數(shù)的殼單元來說，在LS-Prepost中是可以將D3PLOT中的殼單元應(yīng)力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換到殼單元坐標(biāo)系下的，具體有三種方法。
第一種方法，在LS-Prepost的主菜單Toggle的下拉菜單下，有一個“l(fā)ocal Axes”，勾選這個選項(xiàng)，那么單元的應(yīng)力/應(yīng)變云圖就可以在單元坐標(biāo)系下表示。
第二種方法，就是在單元?dú)v史變量窗口下，將E-axes選擇為local，這樣，得到的應(yīng)力/應(yīng)變分量就是在單元局部坐標(biāo)系下相應(yīng)數(shù)值。
第三種方法， 點(diǎn)擊FCOMP，進(jìn)入云圖顯示狀態(tài)Fringe，選擇相應(yīng)應(yīng)力/應(yīng)變分量，然后在下方的Glob按鈕中選擇local，則對應(yīng)云圖為單元坐標(biāo)系下云圖。
體單元和厚殼單元、梁單元
殼單元的應(yīng)力/應(yīng)變可以在全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換，那么其他單元呢？
默認(rèn)情況下，D3PLOT和 ELOUT結(jié)果文件中，體單元和厚殼單元的應(yīng)力和應(yīng)變是用全局坐標(biāo)系表示，梁單元應(yīng)力和合力用單元坐標(biāo)系表示。
如何在材料坐標(biāo)系下表示應(yīng)力/應(yīng)變？
對于由正交各向異性材料構(gòu)成的殼單元、體單元和厚殼單元，如果*DATABASE_EXTENT_BINARY關(guān)鍵字中的CMPFLG設(shè)置為1，那么單元的應(yīng)力和應(yīng)變是用材料坐標(biāo)系表示。而通常材料坐標(biāo)系在單個殼單元的積分點(diǎn)之間是不同，這是由于*SECTION_SHELL關(guān)鍵字中定義的beta角不同。
展開 本章將簡單介紹一下數(shù)學(xué)上張量和Abaqus中殼的應(yīng)力方向，并說明Abaqus這么選取的意義，最后通過自編程序iSolver來驗(yàn)證殼的應(yīng)力方向的正確性。
具體的驗(yàn)證詳見下方視頻（帶配音）：
https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884 20.14 理論系列文章14：殼的應(yīng)力方向
1.1 數(shù)學(xué)上的張量方向
矢量的方向是一定的，但它的分量都是基于某個坐標(biāo)系定義的，坐標(biāo)系不同，那么分量結(jié)果也會不同。
矢量可以表示為：
顯然，分量和坐標(biāo)系的選取有關(guān)。譬如我們一般的直角全局坐標(biāo)系如下，那么分量就是普通的x、y、z三個分量值。
和矢量類似，二階張量可以表示如下，當(dāng)然也可以用一個更簡單的3X3的矩陣表示，顯然，二階張量的分量等也與坐標(biāo)系的取值有關(guān)。
1.2 Abaqus殼的應(yīng)力方向
Abaqus后處理中殼的應(yīng)力會輸出S11，S22，S12等分量，分別對應(yīng)上面二階張量a的a11、a22、a12等分量，其它分量不輸出，這三個量與殼的坐標(biāo)系的選取密切相關(guān)。Abaqus中，在《anlysis user manual 12.1》的29.6.7 Three-dimensional conventional shell element library的Element output說明了殼采用的是局部坐標(biāo)系，具體定義如下：
S11：Local 11 direct stress.
S22：Local 22 direct stress.
S12：Local 12 shear stress.
（1） local 1（以下稱為T1方向）默認(rèn)情況下為x方向在表面上的投影。
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中殼的最新內(nèi)容
本文系統(tǒng)梳理殼單元的理論基礎(chǔ)、分類體系、選型策略及應(yīng)用要點(diǎn)，為工程仿真中殼單元的合理選用提供理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)。
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1 殼單元理論基礎(chǔ)與分類
1.1 殼單元基本假設(shè)
殼單元基于以下基本假設(shè)：平面截面垂直于殼中面且在變形過程中保持平面（Kirchhoff-Love 假設(shè)）。
這里，基于Dynaform軟件，僅討論仿真中殼單元類型、板料和模具網(wǎng)格大小、厚向積分點(diǎn)和虛擬沖壓速度對板料―凹模圓角界面接觸壓力的影響。通過更改這些參量的類型或參數(shù)，考察其對穩(wěn)定階段界面接觸壓力的影響。
單元類型的影響
殼單元是基于板殼理論，在厚度方向尺度遠(yuǎn)小于其他方向的尺度時，把單元從3D簡化成2D就可以簡化大量預(yù)算而獲得比較準(zhǔn)確的解。
LS-TaSC 2023R1新功能
LS-TaSC 2023R1支持基于殼單元厚度的結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)計優(yōu)化，主要是對結(jié)構(gòu)中殼單元的厚度進(jìn)行設(shè)計，使結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)最大化，同時滿足一個或多個特征頻率約束要求。在設(shè)計過程中，可以采用模態(tài)追蹤技術(shù)，或者選擇某個特定的頻率作為設(shè)計目標(biāo)，同時滿足不同的頻率設(shè)計需求。
運(yùn)用該理論進(jìn)行船舶設(shè)計旨在推進(jìn)舾裝作業(yè)前移，把船舶制造過程中殼、舾、涂作業(yè)間的矛盾或?qū)a(chǎn)生的各種問題消除在生產(chǎn)設(shè)計的“紙面造船”作業(yè)之中。
1.3 設(shè)計階段劃分的模糊化
傳統(tǒng)船舶設(shè)計階段的劃分不盡統(tǒng)一，通常有三階段、四階段和五階段之分。船舶設(shè)計的階段劃分也并非一成不變，可以根據(jù)具體船型的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，但是基本的圖紙和技術(shù)文件內(nèi)容不變。
1.批量創(chuàng)建property：可以利用命令流，例如dyna求解器中殼屬性創(chuàng)建，＊createentity props cardimage=SectShll，多復(fù)制幾行在命令欄中粘貼，就可以創(chuàng)建多個屬性，見圖1。其他求解器可以在空文檔進(jìn)行一個建立屬性的操作，然后點(diǎn)開edit-command file查看命令流。
解吸塔底重沸器（E304）和穩(wěn)定塔底重沸器（E306）管束的腐蝕不僅有硫化氫等腐蝕介質(zhì)的腐蝕，還有介質(zhì)在管束表面汽化引起的沖蝕，需要把管束材質(zhì)由碳鋼升級為00Gr19Ni10，其中解吸塔底重沸器（E304）的殼體應(yīng)由一般結(jié)構(gòu)換熱器殼體更新為帶蒸發(fā)空間的殼體，兩臺設(shè)備在運(yùn)行中殼體內(nèi)應(yīng)保持一定的液位高度，使管束完全浸沒在液體中，防止管束頂部換熱管處于干濕交替狀態(tài)，造成局部液滴的突沸產(chǎn)生較大的沖擊力，加快管束的腐蝕
下面首先介紹ICEM中殼/面網(wǎng)格的基本概念。
殼/面網(wǎng)格有四種網(wǎng)格類型，分別如下：
All Tri，即所有網(wǎng)格單元均為三角形。
第二種，為了解決第一種的問題，增加了一個中殼，同時中殼作為裝飾件，整個外觀的層次感強(qiáng)烈了許多，但是增加了一個零件的成本。
第三種，簡潔風(fēng)格，主體為一個零件，為筒型外觀，側(cè)面無拔模，無縫隙，完全保留外觀的原始設(shè)計，是時下流行的一種外觀處理方式。
【THKCHG】單面接觸中考慮接觸過程中殼單元厚度變化的選項(xiàng)。
EQ.0：不考慮。（默認(rèn)）
EQ.1：考慮殼單元厚度變化。
【ORIEN】初始化過程中接觸表面節(jié)點(diǎn)號自動再定位，使其外法線方向向外，以保證接觸計算正確。
EQ.0：自動設(shè)為1。
0或1—取接觸主面中的最小剛度；2—取主面的剛度值；3—取從面的剛度值；
THKCHG—單面接觸中，是否考慮接觸過程中殼單元厚度的變化。
其余的參數(shù)，在整車碰撞、擠壓、機(jī)械沖擊仿真中使用較少，采取默認(rèn)值或者不設(shè)置即可。
