abaqus剪切
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-02-27
abaqus剪切的視頻教程
ABAQUS短梁剪切層間剪切有限元分析COHESIVE CONTACT（三維hashin準則）ASTM D2344
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Abaqus剪切旋壓三種運動方式詳解
課程詳細示范剪切旋壓工藝仿真前處理操作，分別展示三種運動方式的操作方法： 第一章：傳統的坯料旋轉旋輪直線進給； 第二章：表格控制旋輪旋轉坯料不轉； 第三章：VDISP子程序控制旋輪旋轉坯料不轉； 第四章：對比三種方式后處理結果。 附有inp文件和子程序文件。有問題可私信交流。
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abaqus剪切的實例教程
我們關注CAE中的結構有限元，所以主要選擇了商用結構有限元軟件中文檔相對較完備的Abaqus來研究內部實現方式，同時對某些問題也會涉及其它的Nastran/Ansys等商軟。為了理解方便有很多問題在數學上其實并不嚴謹，同時由于水平有限可能有許多的理論錯誤，歡迎交流討論，也期待有更多的合作機會。
iSolver介紹視頻：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12884
==第15篇：殼的剪切應力 ==
自編有限元應力的校核除了Mises等合力外，也應該校核各個應力分量。材料力學中六個應力分量如下：
其中Tau11，Tau22，Tau33為正應力，Tau12,13,23為三個剪切應力，對殼來說，Tau33=0，Tau12為面內剪應力，Tau13,23即為本文所說的橫向剪切應力。
最近在做iSolver殼的應力分量和Abaqus比對時，發現Abaqus的橫向剪切應力和預想的不一致。iSolver按照常用的殼的理論得到的剪切應力是個與厚度無關的常量，但Abaqus的橫向剪切應力分量TSHR13，TSHR23，在各個截面方向積分點section point不一樣。
花了點時間細致的研究了一下，猜測Abaqus中剪切應力TSHR13、23是真實應力，但有限元理論和iSolver中計算的是板殼近似理論中平均剪切應力。本章將介紹殼單元中實際的和板殼近似理論中的剪切應力，也猜測了Abaqus的內部實現流程，最后通過一個算例來驗算Abaqus中的真實的剪切應力，并通過iSolver來計算板殼理論的平均剪切應力。
1.1 殼的真實的剪切應力
剪應力是材料由于抗拒面之間的滑動而產生的沿表面方向的應力。殼的中間層存在剪切應力，這個可以通過下面簡單的例子驗證。
展開 圖1：剪切自鎖
圖2：沙漏
===S4殼單元剪切自鎖和沙漏控制研究總結===
完全積分單元才有剪切自鎖，雖然Abaqus的S4單元是完全積分，但內部已經做了修正完全消除了剪切自鎖，所以不需要用戶做任何設置。
減縮積分單元才有沙漏現象，Abaqus的S4R默認增加一個人工的沙漏剛度來控制沙漏現象，如果發現結果還是不理想，那么需要采用其它建模方法才能控制沙漏了。
Abaqus針對剪切自鎖和沙漏控制做的修正如下：
單元類型
元素
修正情況
剪切自鎖
S4
薄膜剛度
假設應變方法修正
面外彎曲剛度
無
面外橫向剪切剛度
假設應變方法修正
S4R
所有項
無
沙漏控制
S4
薄膜剛度
無
面外彎曲剛度
無
面外橫向剪切剛度
沙漏控制，和Belytchko公式不一致，暫時沒研究
S4R
薄膜剛度
和Belytchko公式一致，因子取0.005G
面外彎曲剛度
和Belytchko公式一致，因子取0.00375G*4
面外橫向剪切剛度
沙漏控制，和Belytchko公式不一致，暫時沒研究
詳細研究方法，見附件：
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(SnowWave02 20171018).pdf
展開 完全積分的二階單元每個方向上有3個積分點，如下圖：
探究元素的階數(一階與二階)和網格密度對結果精度的影響
采用了幾種不同單元和網格密度,在Abaqus/Standard模擬懸臂梁問題：
各個模擬的末端撓度位移與理論值3.09 mm的比值如下：
對于線性的，完全集成的單元，單元再密都不準。以上撓度模擬不準是因為剪切鎖緊引起的，這是所有完全積分的一階實體單元都存在的問題==
什么是剪切閉鎖？（shear lock）
剪切鎖緊會導致單元在彎曲時過于僵硬。
根據材料力學，一個材料微元承受彎矩M時的變形如下：
單元變形的應力情況：
這種不正確的剪切應力的產生是因為線性單元的邊無法彎曲。剪切應力的存在意味著單元應變導致剪切變形，而不是預期的彎曲變形，因此整體撓度較小，也就是說單元剛度太大了
剪切鎖定只影響完全積分的一階單元在彎曲載荷下的單元性能。
對于二階單元，剪切閉鎖不是問題，因為二階單元的邊是可以彎曲的，但它依舊有細微的剪切閉鎖效應。
所以，ABAQUS文檔建議：
只有相當確定載荷會在模型中產生很小的彎曲時，才推薦使用完全積分的一階單元。完全積分的二階單元在復雜的應力狀態也可能shear lock。
展開 為了限制沙漏現象的擴展，ABAQUS引進了“防沙漏剛度”Hourglass stiffness，一般情況下采用默認值即可，如果確有需要可在圖1中的Hourglass control選項中設置。
圖4
四、小結
如果模型中有比較明顯的彎曲現象，為避免出現剪切自鎖現象，優先選擇二階單元，或者采用縮減積分方案（網格需要更細，通常厚度方向4層以上）。
來源： ABAQUS在巖土工程中的應用
這里對相應的算法進行簡要說明：
NH-GTN模型
屈服函數：
其中等效孔洞體積分數定義為：
孔洞體積分數包含新孔隙形核，原有空隙生長以及剪切相關的等效體積分數增加：
形核，生長，剪切相關體積分數的演化遵循：
其中：
剪切效應的修正，考慮應力狀態的影響
參數的物理含義如下
通過將文獻中的數值算法編程實現在VUMAT子程序中，可以用來實現對延性金屬材料在不同應力狀態下的損傷演化進行合理的數值預測，應用于金屬成型領域（沖壓，軋制，擠壓等）
預測修正后的模型應該在簡單拉伸情況下于abaqus自帶的GTN模型保持相同的損傷和其他狀態變量的分布，并在剪切情況中損傷發展顯著高于abaqus自帶的模型（自帶的模型忽略了剪切效應）。（為了進行對比使用于自帶的本構相同的硬化方式，模擬中使用了相同的質量縮放，但質量縮放容易產生數值振蕩，模擬的拉伸曲線存在波動。）
初步模擬結果：
拉伸情況（abaqus-VUMAT）
應力分情況
孔洞體積分數
剪切模型（abaqus-VUMAT）
不同變形時刻的應力分布
T=0.1s
局部放大圖
T=0.5s
局部放大圖
T=0.6s
局部放大圖
可以看到模型在拉伸預測中與原始模型保持一致，而在剪切修正后損傷發展顯著快于原始模型，利用作者提出的方法可以應用于復雜應力狀態下金屬材料的損傷分析，相關參數部分參考文獻，其中Kw=3.T1=0.2，T2=0.7.模擬結果符合文獻所提出方法的基本趨勢。
最后，如果有相關需要歡迎通過公眾號“320科技工作室”聯系我們。
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初步模擬結果：
拉伸情況（abaqus-VUMAT）
應力分情況
孔洞體積分數
剪切模型（abaqus-VUMAT）
不同變形時刻的應力分布
T=0.1s
局部放大圖
T=0.5s
局部放大圖
T=0.6s
局部放大圖
可以看到模型在拉伸預測中與原始模型保持一致，而在剪切修正后損傷發展顯著快于原始模型，利用作者提出的方法可以應用于復雜應力狀態下金屬材料的損傷分析
周末翻閱幫助文檔，為便日后回憶，作此筆記。還在學習，拋磚引玉，如有錯誤，望指正。
完全積分的一階單元在每個方向上使用2個積分點。因此，三維單元C3D8在單元中存在2 × 2 × 2的積分點數組。完全積分的二階單元每個方向上有3個積分點，如下圖：
探究元素的階數(一階與二階)和網格密度對結果精度的影響
采用了幾種不同單元和網格密度,在Abaqus
abaqus中的剪切損傷模型+DP塑性準則可以很好的模擬煤層頂板的垮落破壞，但計算時容易產生不收斂問題。
abaqus中的顯式動力學不存在不存在收斂性問題。
所以，剪切損傷模型+DP塑性準則+顯式動力學=完美的煤層頂板仿真模擬。
參考資料：
Abaqus Documentation
【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則-工程應用案例，獲取inp文件：鏈接。
-高速剪切載荷下的動態裂紋擴展（XFEM）
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Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續承載，直到達到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區間應力-應變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準則，包括韌性準則
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最近在做iSolver殼的應力分量和Abaqus比對時，發現Abaqus的橫向剪切應力和預想的不一致。iSolver按照常用的殼的理論得到的剪切應力是個與厚度無關的常量，但Abaqus的橫向剪切應力分量TSHR13，TSHR23，在各個截面方向積分點section point不一樣。
在進行網格劃分時，用戶需根據分析步的類型，網格位移插值函數的階數選擇網格的類型（如圖1所示）。通常ABAQUS會默認采用縮減積分單元（Reduced Integration），本文主要介紹相關概念。以下內容參考了《塑性非線性分析原理》等書籍。
圖1
一、完全積分Full Integration和縮減積分Reduced Integration的區別
根據有限元理論，對平面
（2）有了坐標的表達式，由等參的定義，位移的表示和坐標完全一致，那么就可以得到單元內任意一點位移的表示：
（3）位移對坐標的微分就得到應變：
注意Abaqus的剪切應變順序為12，13，23，和這邊的B矩陣順序不同。
