关于Abaqus单元类型的几点经验分享

在使用Abaqus等有限元分析工具进行仿真分析时，单元类型的选择是一件让人挠头的事情。合适的单元类型用很小的计算机资源就可以得到足够精确的结果，相反用很密的网格也不一定能够得到正确的结果。如何破，请您接着往下看。

以很典型的悬臂梁（有解析解）为例，我们可以用梁单元、壳单元、实体单元进行仿真，同时还需选择完全积分、减缩积分、非协调模式，还有一阶单元、二阶单元等等控制类型，我们到底该用哪种积分单元？

我们使用Abaqus计算上图中的悬臂梁会发现，如果关心的是自由端的最大挠度，那么不管是哪种类型的单元，都不需要太多的网格数量即能得到足够精确的结果（当然，梁单元是最经济的）。但是，如果要计算的是悬臂梁的应力最大位置，我们会发现减缩积分单元的误差很大，必须使用完全积分单元或者非协调单元，然而完全积分又会有沙漏现象，非协调单元单元扭曲也不能太大。

与梁单元和壳单元对比，实体单元要得到足够精确的应力解所需要的时间成几何倍增长，但是梁单元又不能给出截面上的应力分布情况，也就是应力集中的情况。实在挠头！遗憾的是，所有的有限元软件都不能智能的判断何时用何单元，只能由工程师根据研究对象自己进行判断。

Abaqus根据分析问题类型不同，为了用最小的代价得到最优解，开发的单元类型达近500种。其实大部分情况下，仿真工程师的面对的对象都比较单一，他们只想知道，我到底要用哪种单元？要回答这个问题，我们先必须问自己几个问题。

第一，分析的是什么物理现象？是强度问题、刚度问题、热力学问题、热电问题等等，不同的问题单元的大类不同。第二，材料类型是什么，是小变形还是大变形？是金属、泡沫、橡胶等等，根据形变大小也有不同的类型。第三，要用的几何类型是实体、壳还是梁？能不能用轴对称？可不可以简化成平面问题？第四，接触问题要考虑吗？第五，能够对结构进行四边形或六面体网格划分吗？当我们回答了以上五个问题，实际上可以选择的单元类型已经非常少了，只有几种甚至一种类型可选。

对于行业的特定对象来说，很多有经验的研究单位在单元类型的选择上已经形成了一定的规范，工程师只用去遵守执行。但是还有很多单位仿真工作刚刚起步，单元类型的选择是一个不断学习的过程，需要工程师不断的去测试、研究，最终积累成本单位内部宝贵的知识经验和财富。

网格划分是一项繁重的“体力劳动”，占整个仿真工作量的80%以上甚至更多。工程师花费如此多精力划分网格目的是希望用更小的计算机机时得到更精确的计算结果。一般来说，选择单元类型有以下几点需要注意，可以起到事半功倍的效果：‍‍‍‍‍‍

‍‍‍‍‍‍1. 能用梁不用壳，能用壳不用体；

2. 能用平面应力用平面应力，能用平面应变用平面应变；

3. 能用轴对称不用三维实体；

4. 关心的应力集中处不用减缩积分，线弹性小变形问题沙漏影响小，可以用全积分单元；

5. 二次单元比一次单元精度高，而且剪力自锁和沙漏很小，但是不适用接触分析；

6. 只能用四面体划分的尽量用C3D10M单元。

在实际工程中，不同行业和不同研究对象可能遇到各种各样的具体问题，需要工程师不断的去学习积累。庆幸的是，Abaqus在国内外已经形成了庞大的应用生态，市面上有很多中英文参考书可供大家参考，达索也向Abaqus的用户提供了专业的单元类型选择高级培训。通过这类学习，可以使大家少走弯路，把精力聚焦在我们所研究的问题本身，而不是单元等操作方法上面。

以上是我们针对有限元仿真时网格单元类型一般需要遵守的基本原则，在实际中还会碰到各种各样的具体问题，在此不再赘述，如有问题欢迎大家留言咨询和交流，咨询热线400-900-7701。

本文作者

安托CAE仿真技术顾问——赵翔 博士

西北工业大学工程力学系副教授，15年Abaqus使用经验，获达索Abaqus UFEA技术专家证书，长期从事有限元技术支持及结构分析工作，擅长结构强度及疲劳强度分析，承担多种飞机型号的全机静力及疲劳强度分析任务，拥有土木工程领域CAE项目经验。负责参与相关课题项目10余项，在国家核心刊物以上期刊发表相关学术论文20余篇，具有扎实的力学理论基础与丰富的工程经验。在航空航天、船舶、电子及土木工程等领域为多家科研院所提供CAE咨询项目服务及仿真解决方案，作为讲师多次完成Abaqus基础、接触、动力学、收敛等高级专题培训。

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