使用分割工具(partition)将部件分为两部分:一部分使用线性六面体单元C3D8I;另一部分使用二次四面体单元C3D10M。在生成网格时,ABAQUS/CAE会提示“两个区域的网格不协调”(如图9-1所示)。如果两个区域都使用线性单元或都使用二次单元,就不会出现这样的问题。应该如何实现不同单元类型在相交边界上的过渡呢?
线性单元的边上没有中间节点,而二次单元的边上有中间节点,因此在线性单元和二次单元交界处的位移场是不协调的(如图9-2a所示)。
图9-2二次四面体单元和线性六面体单元交界处的两种可能情况a)变形前:二次四面体单元的中间节点c位于线性六面体单元的边6上b)变形后:四面体单元的中间节点c(主面节点)不再位于六面体单元的边ab(从面)上,即出现了位移不协调,会出现异常的额外应力c)变形后:四面体单元的中间节点c(从面节点)仍然位于六面体单元的边ab(主面)上,即位移是协调的,不会出现异常的外应力
ABAQUS/CAE会自动在两种单元的交界处定义两个内部面(suace),即线性六面体单元的面和二次四面体单元的面,并在这两个面之间建立绑定约束(tie),这时有两种可能:
1)如果线性六面体单元的面是绑定约束的从面(slavesurace),二次四面体单元的面是主面(master surface),受力变形后模型就会出现位移不协调的问题(如图9-2b所示)。查看应力结果时,会在两种网格的交界处看到远远高于正常值的额外应力。
2)如果线性六面体单元的面是主面,二次四面体单元的面是从面,就不会出现位移不协调的问题(如图9-2c所示),在两种网格的交界处不会出现额外应力。上述问题的本质是:定义绑定约束时,应该让网格较细的面(二次四面体单元的面)作为从面。类似地,假如是在两个实体之间定义绑定约束或接触,无论这两个实体的单元阶次是否相同,都应该将网格较细的面定义为从面。
ABAQUS6.7版本解决了上述问题,会自动采用上述第2种方式,得到正确的分析结果,但在 ABAQUS6.7之前的版本中,上面提到的两种情况都有可能出现,大多数时候都会出现情况1,得到异常的应力结果。为避免这种问题,可以采取以下解决方法。
1)生成ODB文件:完成全部建模工作后,提交分析。不需要等待分析结束,就可以在ABAQUS/CAE打开所生成的DB件。
2)查看主面和从面:单击窗口顶部工具栏中的品按钮,将tem设为Surfaces,将Method设为Internalsets。这时会在对话框右侧看到一些ABAQUS/CAE自动生成的以“_T’开头的面,其中以“_M”结尾的面是绑定约束的主面,以“_S”结尾的面是绑定约束的从面。选择其中的一个面,然后选中Highlightitemsin viewport,就可以高亮显示这个面。如果看到以“_M”结尾的面(例如_70_PART-1-1_M)是由二次四面体单元构成的,则需要将它与_TOPART-1-I_S面互换,具体方法如下所述。
3)互换主面和从面:回到CAE模型中,单击菜单File→Model-Edit Keywords,找到定义上述绑定约束的语句,例如:
*Surface,type =ELEMENT,name=_T0_Part-1-1_M, internal
*Surface, type =ELEMENT, name=_TO _Psrt-1-1_S, internal
*Tie,name=_T0_Part-1-1,position tolerance =19.7317
_T0 Part-1-1_S,_T0 Part-1-1_M
对其中前两行语句中两个面的名称作一下互换,即
*Surface, type=ELEMENT,name=_T0_Part-1-1_S, internal
*Surface, type = ELEMENT, name=_T0_Part-1-1_M, internal
*Tie,name =_T0_Part-1-1, position tolerance =19.7317—_T0_Part-1-1_S,_T0_Part-1-1_M
4)保存模型,重新提交分析。这时就不会再出现由于位移不协调所产生的异常应
力。
在为三维实体部件划分网格时,应该尽量划分六面体(Hex)单元网格,因为它们能够以较小的计算代价得到较高的结果精度。
如果部件的几何形状较复杂,无法生成六面体单元网格,就必须采用四面体(Tet)单元网格。这时应注意,四面体线性单元(C3D4)过于刚硬,计算精度很差,应该使用修正的二次四面体单元(C3D10M),它的计算精度很高,在接触分析和弹塑性分析中也同样适用,但其缺点是计算代价很大。
一种常用的折中方法是:使用分割工具(partition)将部件分为几个部分,在几何形状较规则的部分生成六面体单元网格,以减小模型规模,得到形状规则的单元,获得较高的求解精度;在另外一些形状复杂的部分生成四面体单元网格,使用C3D10M单元,这时要注意上面介绍的位移场协调问题。
(内容、图片来源:《ABAQUS有限元分析常见问题解答》,侵删)
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