abaqus殼單元中的案例
【JY】Abaqus“殼”單元概述與應用（二）——固體殼單元
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。
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
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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【JY】Abaqus“殼”單元概述與應用（二）——固體殼單元
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。
展開 ANSYS中桿單元和殼單元的單元耦合問題
在比較復雜的結構的有限元分析中，不同的結構部件通常使用不同類型的單元來模擬。
通常情況下，不同類型的單元的各個節點的自由度數目是不同的，不同類型單元的連接節點處的自由度的耦合問題，是一個比較令人頭疼的問題。
在ANSYS中通常可以用耦合命令CP來耦合不同類型單元在連接節點處的自由度(DOF)。
也可以用CE命令來認為添加自由度之間的約束方程來達到耦合的目的。
下面是一個簡單的算例，使用了CE命令來耦合連接節點處的自由度。
模型是航天器的機翼的一個Section的某一個隔框。上下表皮是薄殼結構，用Shell63單元來模擬，在上下表皮之間有起支撐作用的桿件，用link8單元來模擬。
建模的時候，link8單元和shell63單元在連接有各自獨立的節點。即：link8單元和shell63單元的節點在連接處是重合的，但是，節點編號是各自獨立的。
link8單元在每個節點有 ux,uy,uz3個平動自由度；
shell63在每個節點有ux,uy,uz這3個平動自由度和rotx,roty,rotz這3個轉個自由，共6個自由度。
在耦合節點處，兩個耦合節點的ux,uy,uz自由度應該是相等的。
這個等式可以用CE命令來描述。
完整的命令流如下：
finish
/clear,start
/prep7
!定義第一種材料屬性；
mp,ex,1,30e6
mp,prxy,1,0.3
!定義shell63單元和實常數；
et,1,shell63
r,1,1e-3
!建立幾何模型；
rectng,31.8,33.2,0,0.3556
agen,2,1,1,1,0,0,1
a,1,4,8,5
a,6,7,3,2
KL,7,0.5, ,
KL,3,0.5, ,
在關鍵點處生成節點；
nkpt,100,4 !與編號為117的節點耦合
nkpt,101,9 !
展開 WB14.0水上滑道結構應力分析（殼單元，梁單元在WB中應用）
報告的關鍵點：殼單元和梁單元在workbench中的應用，殼單元和梁單元是DM建模的顯著特征，在WB中建模，分析，方便，快捷。
殼單元在AWB中的應用
模型的創建有兩種方式：
1）在三維繪圖軟件里面建立實體模型然后導入到AWB里面進行抽取中面處理；2）直接在三維繪圖軟件里面建立只有面而沒有實體的“殼”模型，然后導入到AWB里面進行處理，并賦予殼的厚度參數。
殼間的連接方式有兩種：
1）直接在AWB里面把T型搭接連接起來，使之成為一個整體；2）在AWB里面用CONNECTION把各個部分連接起來，使之成為一個整體。
幾何模型
模型文件沒有經過任何處理的，大家可以拿來練習一下。
網格劃分和邊界條件
Container_calcul2.zip
網格劃分
載荷和約束
等效應力分布
綜合位移分布
附件文件是用SOLIDWORKS建立的純粹由面組成，導入到AWB里面以后的模型，不會自動建立連接關系（即使建立連接關系也是錯誤的，因為它建立的關系是面與面間的連接），所以要手工指定相應的線與線，或線與面間的連接關系（實際的模型是焊接的），這里我們可以簡單點，直接用BOND綁定。不知道這樣說，大家清不清楚？之所以發這個貼，原因有下幾條：
1）實際的工作中很少建立實體模型分析大型的鋼結構，主要是運用殼單元或梁單元模型。
2）本論壇中殼單元或梁單元在AWB里面應用的很少，但實際工作中用的很多。
3）希望此例子可以起到一個拋磚引玉的作用，讓大家可以充分利用軟件的資源。
4）還有一個原因就是想在AWB里面做一個此類模型的跌落分析，所以就試了試
展開 殼單元在AWB中的應用
模型的創建有兩種方式：
1）在三維繪圖軟件里面建立實體模型然后導入到AWB里面進行抽取中面處理；2）直接在三維繪圖軟件里面建立只有面而沒有實體的“殼”模型，然后導入到AWB里面進行處理，并賦予殼的厚度參數。
殼間的連接方式有兩種：
1）直接在AWB里面把T型搭接連接起來，使之成為一個整體；2）在AWB里面用CONNECTION把各個部分連接起來，使之成為一個整體。
幾何模型
Container_calcul2.zip
殼單元在有限元中是什么樣的存在？
</p><p><br></p><p>殼單元就是介于二維和三維之間的，考慮單元高度（即單元厚度），但是又常常忽略高度的一種單元。具體情況依情況而定。</p><div contenteditable="false" width="100%"><br></div><div contenteditable="false" width="100%"><span style="color: rgb(25, 27, 31); font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Microsoft YaHei", "Source Han Sans SC", "Noto Sans CJK SC", "WenQuanYi Micro Hei", sans-serif; font-size: 18px;">現實中有無數的薄壁結構、平板結構，所以一種厚度明顯小于長度、寬度的單元是很需要的。</span></div><p><br></p><p><br></p><p><br></p>
展開 ANSYS中薄殼厚殼分類及單元特性
薄殼理論的基本假定
也稱為 Kirchhoff-Love（克希霍夫-勒夫）假定：
①薄殼變形前與中曲面垂直的直線，變形后仍然位于已變形中曲面的垂直線上，且其長度保持不變。
②平行于中曲面的面素上的正應力與其它應力相比可忽略不計。
但上述假定同時假定了兩種不相容的變形狀態，即平面應變和平面應力狀態。因此許多學者提出了許多修正理論，但是只要是基于 Kirchhoff-Love 假定為基礎的薄殼理論，其精度都不會超過 Kirchhoff-Love 理論的精度范圍。
為構造協調的薄板殼單元，可采用多種方法，如增加自由度法、再分割法（也稱復合法）、離散克希霍夫（Discrete Kirchhoff Theory）法等，但都適用于薄板殼結構，也不考慮橫向剪切變形的影響。
5. 考慮橫向剪切變形的殼理論
可考慮橫向剪切變形影響的理論，一般稱為 Mindlin-Reissner 理論，是將 Reissner 關于中厚板理論的假定推廣到殼中。
ANSYS殼單元
薄板殼單元基于 Kirchhoff-Love 理論，即不計橫向剪切變形的影響；中厚板殼單元則基于 Mindlin-Reissner 理論，考慮橫向剪切變形的影響。
在 ANSYS中，SHELL 單元采用平面應力單元和板殼彎曲單元的疊加。除SHELL63、SHELL51、SHELL61 不計橫向剪切變形外（可用于薄板殼分析），其余均計入橫向剪切變形的影響（可用于中厚板殼分析）。
展開 LS-PrePost中顯示殼單元厚度
對于ShellThickness
如果勾選了ShellThickness，會覆蓋原壁厚。
【JY】Abaqus殼單元概述與應用（一）
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、選型策略及應用要點，為工程仿真中殼單元的合理選用提供理論支撐與實踐指導。
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【JY】板殼單元的分析詳解
1 殼單元理論基礎與分類
1.1 殼單元基本假設
殼單元基于以下基本假設：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）。這一假設認為，垂直于殼面的橫截面在變形過程中保持為平面，并且在變形后仍然垂直于殼的中面。Abaqus 殼單元正是基于這一理論基礎，將三維問題簡化為二維分析，從而提高計算效率。
需要注意的是，Abaqus 殼單元并不要求殼的厚度必須小于其平面尺寸的 1/10。在高度細化的網格中，殼單元的厚度可能大于其平面尺寸，但這種情況并不推薦，此時連續體單元（實體單元）可能更適合。
1.2 殼單元分類與特性
Abaqus 提供了多種殼單元類型，主要分為以下幾類：
一般殼單元：如 S4R、S3R、SAX1、SAX2、SAX2T 等，對于薄殼和厚殼問題的應用均有效，且考慮了有限薄膜應變。
薄殼單元：如 STRI3、STRI35、STRI65、S4R5、S8R5、S9R5、SAXA 等，強化了基爾霍夫條件，即垂直于殼中截面的平面保持垂直于中截面。
展開 ansys workbench中設置變厚度殼單元
對于厚度尺寸相對于其他幾何尺寸較小的結構，我們常常采用殼單元來代替三維實體單元進行分析。殼單元模型雖然不像三維實體模型那樣更接近真實模型，但其單元及節點數量少，計算量小，在工程中對復雜模型進行簡化時，采用殼單元能大大降低工作量和計算難度。
在建立殼單元模型時，我們需要輸入殼的厚度值，該厚度值可以在DM中設置，也可以在Mechanical中設置。DM中僅允許輸入常量厚度值（即等厚度），在Mechanical中可以設置隨某一坐標變量變化的厚度值。
等厚度模型
厚度隨坐標變化的模型
大多數情況下，以上厚度設置是能夠滿足工程分析需要的。但是，有一天突發奇想，我想建一個厚度值隨多個坐標值變化的模型，現有的方法以函數進行輸入厚度隨坐標變化時，只允許輸入一個變量，怎么辦？
workbench提供了一個很好的工具—External Data。用它，可以將任意位置的厚度值進行任意編輯，然后導入到Mechanical中。
展開 
如何在APEX中實現變厚度殼單元
利用有限元分析解決工程實際問題的過程中，經常遇到需要把變厚度薄板簡化為殼單元的問題，本文就針對這一問題，詳細闡述了如何在MSC APEX中實現變厚度殼單元。
首先我們來觀察下圖所示的模型：模型中存在變厚度的錐形薄板以及板料厚度的突變。
1、 導入幾何模型
2、 抽中面
為了獲得高質量的中面，使用APEX的中間面增量功能漸進的抽取中面，抽取中面后使用縫合面功能縫合面之間的小間隙，抽取后的中面如下圖：
3、 劃分網格
設置網格尺寸大小為0.5mm，對中面劃分網格，劃分的網格如下圖所示：
4、 賦予殼單元厚度
使用APEX中的自動厚度計算功能自動給殼單元賦予相應的厚度：
界面參數設置如下：
1、選擇自動檢測面以提取厚度
2、選擇基于分組容差自動確定等厚度或者錐形厚度
3、厚度限制：10mm
4、容差組：0.02mm
（PS:此模型厚度變化范圍為0.2mm~1.2mm，為了讓軟件能夠更精確的識別模型的厚度特征，設置一個較小的容差值0.02mm）
首先選擇抽取的中面，鼠標中鍵確定，然后選擇幾何模型，鼠標中鍵確定，賦予完厚度的殼單元如下圖所示：
賦予完厚度的殼單元與幾何模型完全匹配。如上所述，我們可以利用APEX軟件簡單輕松地實現變厚度的殼單元。
本文操作視頻鏈接：https://url.cn/5hEIPK3?sf=uri
展開 ABAQUS殼單元輪胎模型仿真案例
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_輪胎仿真 ABAQUS-技術鄰，本文介紹一種采用殼單元對輪胎進行建模的方法，相比三維實體，殼單元的計算速度更快，建模方式更簡便，但相對的殼單元的計算精度與模擬的準確性上有時會不太理想。
1 建模
輪胎模擬的一個難點是其內部加強層的模擬。通常的軸對稱單元與實體單元采用rebar layer的方式進行建模，并采用內嵌區域的方法將加強層嵌入到輪胎主體中。但殼模型無法作為主體區域，因此本研究采用復合層的截面定義方式對機輪殼模型進行截面賦予，對機輪不同區域定義不同的復合層數及相應的厚度與材料屬性。如鋼線圈區域，共指派了十一層，并按照橡膠-內面層-橡膠-鋼線圈-橡膠-鋼線圈-橡膠-鋼線圈-橡膠-內面層-橡膠的排布方式賦予了該區域相應的截面屬性，每一層的厚度與旋轉角均與輪胎本身的定義保持一致，鋼線圈區域的復合層定義與層堆疊繪圖見表1與圖2所示。機輪其余區域的截面定義方式與鋼線圈類似。
展開 Abaqus如何使用殼單元建模分析
Abaqus如何使用殼單元建模分析
前幾天突然需要用到Abaqus的殼單元，本以為會和ANSYS似的，直接修改單元類型即可，自己試了試發現完全不是這回事兒。沒辦法網上查了查，居然沒有Abaqus殼單元方面的實際操作，大多都是說殼單元的結果輸出之類的，看來筆者真是知道的太少，無奈之下還是只能自己試。
Abaqus的殼單元做分析在單元類型里面無法直接定義，而是通過材料屬性進行賦予的，但是材料屬性賦予的時候還得和模型的類型有關。下面大致說一下Abaqus用殼單元做分析的過程。
如圖1所示，建立Part時需要指定part類型，筆者想建一個平面，有厚度，用殼單元賦予厚度。那么Modeling Space必須是3D，如果選了2D那么就無法賦予殼單元屬性，雖然建模的時候確實只是建一個平面，但是還是3D，這個理解起來就只能是考慮有厚度，殼單元模型代表的還是3維實體模型。這個和ANSYS的概念還真不一樣，ANSYS沒這么繞。
圖1
之后建立了一個平面矩形，進入材料模塊。添加一個材料屬性后，需要創建一個Section，如圖2所示。
圖2
Section的Category指定為Shell，點擊Continue后，如圖3.
圖3
圖3中的Value指定殼單元的厚度，之后給模型賦予建立的Section，如圖4所示。
圖4
其中的Shell Offset下面有五個選項，這個意義很好理解，殼單元厚度的定義方式，中面底面頂面等。
再到Mesh模塊下面，即可發現有殼單元選項Shell，如圖5所示。
圖5
Abaqus的殼單元類型S4R(縮減積分單元)，還可以通過Quadratic指定為二次單元S8R。
再往后的過程就和其他一致，不作贅述。
展開 ABAQUS實體、殼、梁單元的軸力、剪力、彎矩的提取方式及準確性驗證 ￥8
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
殼單元計算結果
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