ABAQUS殼單元
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-10-27
ABAQUS殼單元的視頻教程
ABAQUS復合材料3D殼單元建模
斯姆勒數(shù)值仿真研究院：從幾何尺寸、材料特性的問題描述來講解ABAQUS復合材料3D殼單元建模，詳細講解纖維增強復合材料的殼單元建模方法。
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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(xù)殼單元&實體單元）
介紹了樁土分開進行地應力平衡的方法 鋼管樁采用連續(xù)殼單元（ SC8R ）模擬，解決了S4R殼單元不能建立雙面接觸的問題。 分別介紹了鋼管樁采用連續(xù)殼單元（ SC8R ）模擬和采用實體單元（ C3D8R ）模擬的建模過程。
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ABAQUS殼單元的實例教程
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(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(fā)現(xiàn)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。
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傳統(tǒng)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(xié)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(tǒng)固體單元的固有缺陷
自鎖現(xiàn)象普遍存在
傳統(tǒng)固體單元（如C3D8R）在模擬薄板殼結構時，易出現(xiàn)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(tài)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)或復雜的數(shù)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(xiàn)有非線性固體殼單元多基于連續(xù)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(tǒng)單元在處理不規(guī)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 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(xù)實體殼單元 (CSS8)、非協(xié)調元 (C3D8I) 和連續(xù)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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【JY】Abaqus殼單元概述與應用（一）
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(guī)殼單元之一，為 4 節(jié)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(xiàn)穩(wěn)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(xiàn)。
單元類型基本原理與特點
2.1 連續(xù)實體殼單元 (CSS8)
連續(xù)實體殼單元 (CSS8) 是一種介于 C3D8I (非協(xié)調元) 和 SC8R (連續(xù)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(jié)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 有限元的理論發(fā)展了幾十年已經相當成熟，商用有限元軟件同樣也是采用這些成熟的有限元理論，只是在實際應用過程中，商用CAE軟件在傳統(tǒng)的理論基礎上會做相應的修正以解決工程中遇到的不同問題，且各家軟件的修正方法都不一樣，每個主流商用軟件手冊中都會注明各個單元的理論采用了哪種理論公式，但都只是提一下用什么方法修正，很多沒有具體的實現(xiàn)公式。商用軟件對外就是一個黑盒子，除了開發(fā)人員，使用人員只能在黑盒子外猜測內部實現(xiàn)方式。
一方面我們查閱各個主流商用軟件的理論手冊并通過進行大量的資料查閱猜測內部修正方法，另一方面我們自己編程實現(xiàn)結構有限元求解器，通過自研求解器和商軟A的結果比較來驗證我們的猜測，如同管中窺豹一般來研究的修正方法，從而猜測商用有限元軟件的內部計算方法。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(xiàn)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(shù)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
===第一篇：S4殼單元剛度矩陣研究。
Abaqus的殼單元剛度矩陣的理論基礎都是Kirchihoff（薄殼）和Mindlin（厚殼）理論，本章重點研究S4殼單元，該單元基于Mindlin理論，在自編程序中根據(jù)Mindlin理論編寫后和Abaqus結果對比，可以發(fā)現(xiàn)Mindlin和Abaqus差異很大，然后結合幫助文檔猜測Abaqus的S4單元的內部修正方法。
===S4單元修正方法總結
Abaqus的S4單元的薄膜效應剛度和面外彎曲剛度矩陣是完全積分，面外橫向剪切剛度是減縮積分。
展開 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。
通常情況下，殼單元的局部坐標系如下圖所示，其包含平面內的1，2軸和平面法線的n軸（3軸）。顯然，n軸由殼單元所在平面確定，但是其有兩種選擇，即由“殼內指向殼外”和由“殼外指向殼內”。
那么在abaqus中，殼單元的局部坐標系依據(jù)以下規(guī)則定義：
（1）對于一個3節(jié)點/4節(jié)點殼單元，按照右手定則，拇指指向即為n軸方向。
殼單元節(jié)點順序為1-2-4-3時的n軸方向。
（2）確定好n軸之后，接下來的1軸和2軸按照以下規(guī)則確定：
將整體坐標系的X軸投影到殼單元上，投影方向即為1軸。再按照右手定則，1-2-n軸形成右手坐標系，即右手拇指指向n軸時，其余4指的旋轉方向從1軸轉向2軸，具體圖解如下：右側為整體坐標系，左手為局部坐標系。
按照上述規(guī)則必然會存在一種特殊情況，即整體1軸與殼單元垂直，則此時整體1軸投影到殼單元上會是一個點，無法確定局部1軸方向，在這種情況下，abaqus采用整體3軸投影到殼單元上作為局部1軸方向。
以上就是殼單元局部坐標系的確定過程，下面以一個例子，來表明殼單元局部坐標系確定的具體作用。
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基于ABAQUS軟件，用殼單元進行波紋管（管道連接件）的建模，在波紋管中心建立柱坐標系，輸入壁厚減薄的公式表征壁厚的非均勻分布。備注：需要提前在場邊量添加STH命令，厚度結果在后處理查看。
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。
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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(guī)殼單元之一，為 4 節(jié)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(xiàn)穩(wěn)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。
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(xù)體單元（實體單元）可能更適合。
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
Abaqus/Explicit 殼單元庫包括：
? 通用三維單元，用于模擬考慮有限膜應變的“厚”或“薄”殼；
? 小應變單元；
? 完全耦合的溫度位移分析單元；
? 用于具有軸對稱變形的軸對稱幾何形狀的單元；
? 連續(xù)體殼單元。
命名約定
殼單元的命名約定取決于單元的維度。
