單元扭曲
關注創建者：MagicW 創建時間：2021-04-27
單元扭曲的實例教程
VUMAT疲勞損傷累積單元扭曲？ ￥200
通過建立VUMAT對金屬材料進行疲勞損傷累積時，設置單元刪除的損傷閾值，發現改動這個閾值，程序會在單元達到這個閾值后的出現單元扭曲錯誤，不知道為什么？
C3D8I 單元的綜合評估：
C3D8I 單元在幾何非線性情況下精度高，但計算成本也較高。其對單元扭曲敏感，在使用時需要小心以確保單元扭曲是非常小的，若所關心的部位單元扭曲比較大，尤其出現交錯扭曲時分析精度會降低。此外，C3D8I 單元和減縮積分單元不能同時選擇。
SC8R 單元的綜合評估：
SC8R 單元在幾何非線性情況下計算效率最高，對網格扭曲的敏感性最低，適合處理復雜幾何和大變形問題。然而，由于其基于殼理論，在需要考慮三維應力狀態的情況下精度可能不足。此外，由于采用減縮積分，可能出現沙漏問題，需要適當控制。
三種單元在幾何非線性情況下的選擇建議：
對于需要考慮三維應力狀態且對計算精度要求高的幾何非線性問題，優先選擇 CSS8 單元。
對于以彎曲為主且網格質量良好的幾何非線性問題，C3D8I 單元可能是更經濟的選擇。
對于大變形、復雜幾何或需要高效計算的幾何非線性問題，SC8R 單元是最佳選擇。
在實際應用中，可以考慮根據不同區域的特點混合使用三種單元，以平衡計算精度和效率。
博主簡潔版建議：在薄壁類分析中，如果采用三維實體單元，在 Abaqus/Standard中直接采用CSS8單元。
與S4R對比情況
S4R 單元是 Abaqus 中最常用的常規殼單元之一，為 4 節點減縮積分殼單元，基于經典殼理論，適用于各類薄壁結構的線性與非線性分析，尤其在大變形和接觸問題中表現穩定。
1. 四種單元的核心特性對比
特性
CSS8（連續實體殼單元）
C3D8I（非協調實體單元）
SC8R（8 節點連續殼單元）
S4R（4 節點常規殼單元）
2. 應用場景差異
應用場景
CSS8
C3D8I
SC8R
S4R
3.
展開 3.5 非協調模式單元
理論基礎：非協調模式單元在標準線性單元的基礎上引入了非協調位移模式，這些附加模式允許單元在不連續的情況下仍能保持協調性，從而克服了剪切自鎖問題。非協調模式單元通過增強變形梯度的方式，使單元交界處不會出現重疊或開洞問題，便于拓展到非線性、有限應變位移分析中。
適用場景：非協調模式單元適用于主要承受彎曲載荷的結構，特別是那些單元扭曲較小的區域。在彎曲問題中，厚度方向只需很少單元就能達到與二次單元相當的結果，但計算成本明顯降低。它們特別適合于模擬薄板、薄殼等以彎曲為主的結構。
優缺點分析：
優點：成功克服了剪切自鎖問題；在單元扭曲程度較小時，位移和應力結果精確；彎曲問題中厚度方向只需少量單元就能達到與二次單元相當的效果，大幅降低計算成本；能夠適應一定程度的單元扭曲。
缺點：若關注部位的單元扭曲程度大，尤其是出現交錯扭曲時，分析精度會下降；不適用于嚴重扭曲的網格；在某些情況下，特別是大變形分析中，可能需要更精細的網格劃分。
使用注意事項：
若在模型中采用非協調單元，應使網格扭曲減至最小，避免在扭曲嚴重的區域使用。
非協調單元在 Abaqus/Standard 中可用，但在 Abaqus/Explicit 中不可用，應根據求解器選擇合適的單元類型。
在彎曲問題中，非協調單元沿厚度方向只需 1-2 個單元就能獲得較好結果，但在關鍵區域仍建議進行網格細化以提高精度。
對于高精度分析，特別是需要精確應力結果的區域，即使使用非協調單元，也應確保網格質量和密度足夠。
3.6 四面體單元
理論基礎：三角形 (Tri) 和四面體 (Tet) 單元是基于線性或二次插值函數的單元類型，它們能夠適應任意幾何形狀，特別適合于復雜幾何模型的網格劃分。
展開 Abaqus有非常豐富的單元庫，其中就有軸對稱單元，比如CAX4（I/R/H/T），當一個回轉結構具有某種載荷對稱性時，可以用它將三維模型縮減為軸對稱模型來分析，能減少大量的內存和分析時間，而同樣的模型規模，3D實體單元要更耗費計算資源。
那么，回轉結構受到側向彎曲或軸向扭轉的載荷時，有沒有類似的單元可以用呢？
橡膠阻尼器的內摩擦生熱分析-節點溫度云圖
比如，假設上圖中的阻尼器不再是長方體，而是回轉體，且發生軸向扭曲變形，那么能不能用軸對稱單元來建模呢？
答案是可以的，在Abaqus的軸對稱單元系里還有一種可考慮Twist的單元，即帶字母G標識的那種類型，能夠在分析時充分考慮回轉體的整體扭轉變形。
首先，我們可以在part模塊使用Axisymmetric建立環形塊狀阻尼器的回轉截面；然后在mesh模塊劃分好四邊形網格；最后，定義單元類型為CGAX4T，即帶扭曲的4節點軸對稱位移-溫度耦合單元。
這里的橡膠阻尼器材料本構采用的是超彈性模型，應變能描述形式為Neo Hooke，再結合時域黏彈性Prony參數與非彈性變形能耗散比，來計算阻尼器周期性扭轉過程中的材料內摩擦生熱。
阻尼器上、下兩個端面的節點分別使用位于回轉軸上的兩個參考點來耦合，固定下端面參考點，并在上端面參考點施加軸向的周期性扭角位移。
阻尼器的回轉結構與網格-單元
雖然建模時只考慮了回轉截面，但是帶扭曲的軸對稱單元可以將回轉體發生扭轉時的整體結構響應考慮在內，這是因為這種單元多了一個扭轉自由度5，拿本例中的位移-溫度耦合單元CGAX4T來說，該單元的節點具有1、2、5和11四個自由度。
展開 非協調模式單元（Incompatible modes），以字符I結尾，僅適用于線性四邊形和六面體單元。它把增強單元位移梯度的附加自由度引入線性單元，能克服線性完全積分中的剪切自鎖問題，具有較高的計算精度。
Abaqus中的非協調模式單元和MSC.NASTRAN中的4節點四面體和8節點六面體單元很相似，所以計算結果頁很一致。
非協調模式單元具有如下優點：
（1）克服了剪切自鎖問題，在單元扭曲比較小的情況下，得到的位移和應力結果很精確。
（2）在彎曲問題中，在厚度方向上只需很少的單元，就可以得到與二次單元相當的結果，而計算成本明顯降低。
（3）單元交界不會重疊或開洞，因此很容易擴展到非線性、有限應變的位移。
但是使用這種單元的時候需要注意，如果所關心的部位單元扭曲比較大，尤其出現交錯扭曲時分析精度會降低。
請注意非協調模式和減縮積分單元，兩個只能選擇其一，不能同時選擇。但是同時選擇雜交單元（hybrid）。
轉自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_b377d7f70102vew6.html
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性能特點：C3D8I 單元克服了剪切鎖死問題，在單元扭曲比較小的情況下，得到的位移和應力結果很準確。在彎曲問題中，在厚度方向上只需很少的單元，就可以得到與二次單元相當的結果，而計算成本明顯小于二次單元。然而，非協調單元對單元的扭曲很敏感，在使用時需要小心以確保單元扭曲是非常小的。
優缺點分析：
優點：成功克服了剪切自鎖問題；在單元扭曲程度較小時，位移和應力結果精確；彎曲問題中厚度方向只需少量單元就能達到與二次單元相當的效果，大幅降低計算成本；能夠適應一定程度的單元扭曲。
缺點：若關注部位的單元扭曲程度大，尤其是出現交錯扭曲時，分析精度會下降；不適用于嚴重扭曲的網格；在某些情況下，特別是大變形分析中，可能需要更精細的網格劃分。
網格生成：生成網格并檢查網格質量，避免畸形單元或過度扭曲，若網格質量不滿足要求，可通過局部加密或調整尺寸進行優化，確保計算結果準確可靠。
3. 命名選擇：為幾何模型中的特定區域或部件（如蒙皮、肋板等）創建明確的標識，以便在后續分析中快速定位和應用相關設置。
24) 警告信息的解讀：使用ABAQUS/Standard進行彈塑性分析時，常出現“單元過度扭曲”等警告。如果分析最終無法收斂，應檢查模型中的錯誤；若分析最終收斂且結果正常，則這些警告僅表示ABAQUS/Standard在迭代過程中嘗試某個位移解失敗，并不意味著模型存在錯誤。
通過建立VUMAT對金屬材料進行疲勞損傷累積時，設置單元刪除的損傷閾值，發現改動這個閾值，程序會在單元達到這個閾值后的出現單元扭曲錯誤，不知道為什么？
02 網格質量控制原則
較大的畸變網格或者不合理的網格大小比例，都會影響到Simufact Welding軟件的模擬質量，因此在進行網格過渡、細化、接觸區域網格劃分時，需要進行注意，主要涉及到以下幾點：
1、避免較大扭曲單元，這種類型的單元剛度系數較差，將會導致模擬不穩定，很容易產生網格穿透的畸變網格（單元的插值點將在單元外）。
尖銳網格
2、避免直接從焊縫處進行粗化過渡。
網格質量問題：網格質量差（如單元扭曲、縱橫比問題、密度不足）會使結果不準確，產生負特征值。
幾何非線性建模錯誤：將有幾何非線性（大變形或旋轉）的結構建模為線性，會導致不切實際結果，包括負特征值。
忽略接觸或界面行為：結構涉及接觸或相互作用時，忽略或錯誤建模這些行為會導致負特征值。
處理方法
需制定檢查負特征值的做法，收斂迭代中出現警告要仔細評估解決方案。
</p><p><br></p><p><br></p><p>Q1:材料負體積解決方法（全面、有效）</p><p>材料負體積解決方法</p><p>在仿真中，通常有材料的大變形問題，如泡沫材料，由于單元大扭曲而出現了單元負體積，這種情況一般出來在材料失效之前。在沒有網格光滑和網格從劃分的情況下，ls-dyna有一個內部的限制來調節lagrange單元的變形。
選擇 Remeshing時，Options選項中有尺寸函數、必須改善扭曲、面重劃分(僅對三維)3 個選項，其中，最小長度、最大長度比例及最大單元扭曲必須設定，而當采用尺寸函數時，還需要設置尺寸函數求解、尺寸函數的變化率等參數，如圖6所示。
FVM有限體積法
隱式算法，在每個瞬態時間步多次內迭代，達到收斂后進入下個時間步；
要求網格質量好，否則收斂困難；
守恒性好，但是數值耗散較大（尤其是扭曲的單元
