abaqus 厚殼單元
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-02-27
abaqus 厚殼單元的視頻教程
ABAQUS初級案例——實體單元、殼單元、梁單元建模方法詳解
本課程通過簡支工字形鋼梁詳細講解了ABAQUS中實體單元模型、殼單元模型、梁單元模型的建立方法，對比了不同單元建模的操作方法及不同模型的計算速度與計算結果。 圖1.實體單元模型 圖2.殼單元模型 圖3.梁單元模型 購買課程后請關注公眾號獲取最新課程咨詢及免費答疑，同時下載相關附件以供練習。
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ABAQUS三維水平受荷鋼管樁（連續殼單元&實體單元）
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ABAQUS梁單元加鋼筋、殼單元加鋼筋（纖維桿rebar)
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abaqus 厚殼單元的實例教程
在前面的兩篇文章中，已經對Abaqus復合材料殼單元分析模型的傳統建模方法和快捷建模方法做了詳細的介紹。熟悉Abaqus復合材料分析的人都知道，在采用二維Lamina復合材料模型配合殼單元進行分析時，材料參數中除了輸入兩個方向模量E1,E2，面內泊松比及面內剪切模量G12之外，還要額外輸入兩個面外剪切模量G13和G23，如下圖所示。
這里的面外剪切模量G13和G23就是用來考慮橫向剪切變形的。
一般，針對薄板結構（跨厚比大于20），通常做以下假設（Kirchhoof假設）：
(1)平行于中面 的各層互不擠壓：即垂直于中面法向的正應力很小，可以忽略。
(2)直法線假設：變形前垂直于中面的直線段，在變形后仍保持是直線，且仍垂直于變形后的中面。
(3)撓度沿板厚度方向的變化可以忽略，即統一厚度各點的撓度都 等于中面的撓度
(4)板的中面無伸縮和剪切變形
根據上述假設，板的橫向變形為零，相當于垂直于中面的各個面內剪切模量無窮大。薄板理論的假設在求解薄板問題時，精度足以滿足工程計算要求。
但對于中厚板或者厚板、集中力作用點附近、薄板邊界周圍以及開孔周圍，上述理論將不再適用，誤差大甚至會導致錯誤的結果，因此為了解決此類問題，便有了考慮剪切變形的中厚板理論。
那么在Abaqus分析中怎么考慮橫向剪切變形的影響呢？Abaqus默認的復合材料模型定義及截面屬性定義中是已經考慮了橫向剪切的，軟件會自動計算橫向剪切剛度。
而薄板、中厚板的區分在于單元類型，如下圖所示，S8R5為薄殼單元的一種，S8R為厚殼單元的一種，在設置單元屬性時會有明確的說明：
現在，測試一下薄殼與厚殼計算結果的差異有多大。
展開 板殼分類
按板面內特征尺寸與厚度之比劃分：
當 L/h < (5~8) 時為厚板，應采用實體單元。
當 (5~8) < L/h < (80~100) 時為薄板，可選 2D 實體或殼單元
當 L/h > (80~100) 時為薄膜，可采用薄膜單元。
殼類結構按曲率半徑與殼厚度之比劃分：
當 R/h >= 20 時為薄殼結構，可選擇薄殼單元。
當 6 < R/h < 20 時為中厚殼結構，選擇中厚殼單元。
當 R/h <= 6 時為厚殼結構。
上述各式中 h 為板殼厚度， L 為平板面內特征尺度，R 為殼體中面的曲率半徑。
2. 薄板理論的基本假定
薄板所受外力有如下三種情況：
① 外力為作用于中面內的面內荷載。彈性力學平面應力問題。
② 外力為垂直于中面的側向荷載。薄板彎曲問題。
③ 面內荷載與側向荷載共同作用。
所謂薄板理論即板的厚度遠小于中面的最小尺寸，而撓度又遠小于板厚的情況，也稱為古典薄板理論。
薄板通常采用 Kirchhoff-Love 基本假定：
① 平行于板中面的各層互不擠壓，即 σz = 0。
② 直法線假定：該假定忽略了剪應力和所引起的剪切變形，且認為板彎曲時沿板厚方向各點的撓度相等。
③ 中面內各點都無平行于中面的位移。
薄板小撓度理論在板的邊界附近、開孔板、復合材料板等情況中，其結果不夠精確。
3. 中厚板理論的基本假定
考慮橫向剪切變形的板理論，一般稱為中厚板理論或 Reissner（瑞斯納）理論。
展開 寫在前文
在有限元分析中，單元類型的選擇對計算結果的精度和效率有著決定性影響，尤其對于復合材料結構和薄壁結構的分析更是如此。
Abaqus 作為主流的有限元分析軟件，提供了多種固體殼單元類型以滿足不同工程需求。連續實體殼單元 (CSS8)、非協調元 (C3D8I) 和連續殼單元 (SC8R) 是 Abaqus 中常用于復合材料和薄壁結構分析的三種單元類型，各自具有獨特的理論基礎和適用場景。
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除了上述采用類實體單元的“殼”單元外，還有完全的殼單元，如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，將該單元作為對比基準，對上述實體類“殼”單元進行對比分析。
本文旨在對這三種單元類型進行深入比較研究，從理論基礎、自由度、材料本構、積分方案、閉鎖敏感性、計算成本等多個維度展開分析，為工程實踐中的單元選擇提供參考。特別是針對復合材料分析、金屬薄壁結構模擬以及混合建模等應用場景，探討這三種單元的適用性差異，并分析它們在幾何非線性情況下的計算成本和精度表現。
單元類型基本原理與特點
2.1 連續實體殼單元 (CSS8)
連續實體殼單元 (CSS8) 是一種介于 C3D8I (非協調元) 和 SC8R (連續殼單元) 之間的特殊一階單元，由 Vu-Quoc 和 Tan 于 2003 年提出，后集成于 SIMULIA 2017 及以后的版本。它是一種三維單元，具有以下基本特點：
幾何與自由度：CSS8 為 8 節點六面體單元，僅有位移自由度 (無轉動自由度，與實體單元一致)，與實體單元混合建模時易于處理連接過渡。
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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 連續殼單元不適用于需要考慮厚度方向法向應力的情況，此時應使用連續實體方法。
3.4 特殊殼單元類型
Abaqus 還提供了一些特殊類型的殼單元，適用于特定的應用場景：
軸對稱殼單元：如 SAX1、SAX2、SAX2T 等，用于模擬軸對稱殼結構，如圓柱殼、圓錐殼等。這些單元能夠顯著減少模型規模，提高計算效率，特別適用于具有軸對稱幾何和載荷的問題。
薄殼單元：如 S4R5、S8R5 等，強化了基爾霍夫條件，適用于非常薄的殼結構。這些單元假設垂直于殼中面的平面在變形后保持垂直，忽略了橫向剪切變形，適用于厚度與其他尺寸之比小于 1/30 的薄殼。
厚殼單元：如 S8R、S8RT 等，考慮了橫向剪切變形，適用于厚度與其他尺寸之比在 1/20 至 1/10 之間的厚殼結構。這些單元能夠更準確地模擬厚殼的剪切變形和應力分布。
可擴展殼單元：如 S6、S9 等，允許用戶定義自定義的殼截面形狀和材料分布，適用于特殊截面或非均質材料的殼結構。
使用注意事項：
軸對稱殼單元僅適用于幾何形狀和載荷均軸對稱的問題，否則會導致嚴重的計算誤差。
薄殼單元和厚殼單元的選擇應基于結構的厚跨比，通常厚跨比小于 1/30 時使用薄殼單元，介于 1/30 和 1/10 之間時使用一般殼單元，大于 1/10 時考慮使用厚殼單元或實體單元。
對于復合材料層合板，特殊殼單元（如連續殼單元）通常比普通殼單元更合適，因為它們能夠更好地模擬層間剪切變形和各向異性材料特性。
在使用任何特殊殼單元之前，應充分了解其理論基礎和適用范圍，確保其適合特定的工程問題。
4 殼單元使用注意事項
4.1 殼單元方向與截面定義
殼單元法線方向：殼單元法線方向決定了單元的正和負表面，為了正確地定義接觸和解釋輸出數據，必須知道其對應的是哪個面。
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ABAQUS中的殼單元大家通常用于模擬鋼板等鋼結構，對于混凝土板殼，新手可能對內部的配筋方式，以及前后處理方法可能存在各種問題。實際上，ABAQUS提供了鋼筋混凝土板配筋的接口，這種“寫入式”而不進行直接建模的方法通常比較冷門且后處理相對不主流。今天喵星人就通過一個教程教你學會鋼筋混凝土殼單元的前處理與后處理。
0.前提
使用板殼單元的有限元模擬必須有兩個前提：
1、板殼力學及殼單元通常應用于一個方向尺寸遠小于另外兩個方向
前 言
在現代工程結構分析中，板殼類結構（如航空航天領域的飛行器外殼、汽車工業的車身覆蓋件、土木工程中的薄殼屋頂等）的力學行為模擬面臨著高精度與高效率的雙重挑戰。
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傳統固體殼單元在處理幾何非線性
寫在前文
在有限元分析中，單元類型的選擇對計算結果的精度和效率有著決定性影響，尤其對于復合材料結構和薄壁結構的分析更是如此。
Abaqus 作為主流的有限元分析軟件，提供了多種固體殼單元類型以滿足不同工程需求。連續實體殼單元 (CSS8)、非協調元 (C3D8I) 和連續殼單元 (SC8R) 是 Abaqus 中常用于復合材料和薄壁結構分析的三種單元類型，各自具有獨特的理論基礎和適用場景
寫在前文
殼結構作為一類典型的薄壁構件，在航空航天、土木工程、機械制造等領域具有廣泛應用。其核心特征表現為沿厚度方向的尺寸遠小于另外兩個方向，這一幾何特性使得基于三維連續體理論的直接分析面臨計算效率與精度的權衡難題。
殼單元通過將三維問題簡化為中面二維分析，在保留關鍵力學行為描述能力的同時顯著降低計算成本，成為解決此類問題的核心數值工具。本文系統梳理殼單元的理論基礎、分類體系
輪胎的材料與結構通常比較復雜，外層通常由堅固的合成橡膠制成，內層則由多層交織的尼龍纖維與交錯排列的鋼絲簾布組成，內部結構包括胎面、胎體、胎壁、鋼線圈、子口護膠、內面層與帶束層等多個部分，如圖1所示。
圖1子午線輪胎結構分布圖
目前不少工作對輪胎的建模通常采用軸對稱單元，在充氣后通過修改INP文件將輪胎置于路面上令其滾動觀察響應，三維實體單元的輪胎建模方法可見ABAQUS三維輪胎充氣滾動案例
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在ABAQUS中，對結構或者構件進行受力分析除了分析應力云圖之外，通常還需要對部件的軸力、剪力或彎矩的變化趨勢進行分析。本帖基于以下的實體solid、殼shell、梁/beam（truss）模型，分別提取這三類模型的軸力、剪力、彎矩，并與理論計算相結合，驗證提取結果的準確性，并解釋相應有限元的計算原理。
計算模型
梁單元計算結果
實體單元計算結果
部件1.png
路徑1.png
部件3.png
路徑3.png
截面.png
幾何診斷.png
因為拱是鋼箱做的，按照工程給的CAD圖逐個描點繪制路徑，然后采用同一截面掃掠，結果出現有的掃掠能出現正常部件，有的掃掠出現某些單元丟失的現象，經查找幾何診斷，發現可能是兩段的幾何沖突，請問這種問題該如何解決，有快速解決的辦法嗎？
我想過每一段單獨做出來然后合并，但是這樣工作量太大
板殼單元是有限元中應用廣泛而又具有難度的單元類型，其在相當一段時間內是計算力學研究者廣泛研究的對象。常見的有K J bathe的MITC殼單元，龍馭球院士的廣義協調殼單元，Belytschko的belytschko-tsay殼單元等。殼單元在幾何非線性下的響應評估準確度和計算效率，是有限元軟件幾何非線性計算能力的重要體現。
本文演示一個殼單元幾何非線性驗證算例的abaqus操作
殼單元是一種結構單元，該結構一個方向的尺度(厚度)遠小于其它方向的尺度，并忽略沿厚度方向的應力。例如,壓力容器結構的壁厚小于典型整體結構尺寸的1/10,一般就可以用殼單元進行模擬。
在使用abaqus進行有限元分析的工作中，確定殼單元局部坐標系是一項重要的工作，其原因之一在于在abaqus中，殼單元的位移輸出基于整體坐標系，應力應變輸出基于局部坐標系，因此如果不能準確地確定殼單元的局部坐標系，在后處理查看計算結果時可能會無法準確理解計算結果
