Abaqus实体网格类型与划分方法

1. 选择实体单元的类型

1） 完全积分单元：“完全积分”是指全部积分点数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确求解。

2）线性（完全积分）单元：一阶单元，仅在单元的角点处布置节点，计算（积分点）时采用线性插值，内部一个自由度方向上两个积分点；如C3D8(线性六面体单元）、C3D4（线性四面体单元）、CPS4（线性四边形单元）等。

优点：简单快速。

缺点：粗糙，不精确，在弯曲问题上容易出现”剪切自锁“（刚度计算结果过大导致网格变形但应变非常小—— 集合  体不弯曲）。

3）二次（完全积分）单元：二阶单元，在每条边两端+中间处设置节点，计算（积分点）时采用二次插值，内部单自由度配三个积分点；如C3D20（二阶六面体单元）、C3D10（二阶四面体单元）等。

优点：应力计算精确、适用于应力集中问题求解；无剪力自锁问题。

缺点：不能用于接触分析；弹塑性分析中，如果材料是不可压缩的，则容易产生“体积自锁”；单元扭曲且此处弯曲应力有梯度时，容易出错。

4）缩减单元（四面体/六面体特有）：在每个自由度方向上减少一个积分点；

特点：节点应力由单元中心积分点外插值和平均求解，非精确求解。

优点：对于二次缩减积分单元，网格不用划分很细；对网格扭曲不敏感；可用于复杂应力（如接触）计算。

1）在弯曲载荷下不容易发生剪切自锁；

2）位移求解精确；

3）网格存在扭曲变形时，分析的精度不会受到太大的影响。

缺点：不能在接触问题中使用，大变形/大位移问题计算结果较差（刚度过于柔软：沙漏问题）；由于缩减积分单元还引入了“人工沙漏刚度”，当网格越细化，效果越好，所以细化网格能解决额外的沙漏问题。

5）修正单元：使用修正 算法  对单元刚度矩阵结果偏大进行修正。

优点：适用于大变形、接触问题，使用范围最广。

缺点：计算成本相对高。

6）非协调模式单元：专门针对剪切自锁问题设置的改进单元

优点：单元扭曲较小时，能得到更精确的位移/应力解；在弯曲问题上，厚度方向设置较少的单元就能获得与二次单元相当的结果；

缺点：弯曲较大时，精度下降；对单元扭曲程度很敏感。

7）杂交单元：主要用于不可压缩材料（>0.475）的网格划分。

2. 选择划分 技术

1. 结构化网格（Structured）：绿色为可用状态

• 二维结构：该区域没有孔洞、隔离边或孤立顶点

      1）要使用四边形结构化网格对区域进行划分，区域的边数一定要是偶数（边数≥3；避免弧线）；

      2）生成的网格节点不一定与种子位置完全对应，这与几何形状、网格过渡（疏密变化）有

关；

• 三维结构：该区域没有孔、孤立面、隔离边、孤立顶点

       1）对于复杂三维结构，可能需要分区后才能进行结构化网格划分（如将孔切成两半或者四份）；

       2）应将曲线弧度控制在90°以内；

       3）几何的所有表面必须能够进行二维结构化网格划分

2. 扫掠网格（Swep）：黄色为可用状态

• 对于二维区域，先在边上生成网格，然后沿路径拉伸，得到二维网格；
• 对于三维区域，首先在面上生成网格，然后沿扫掠路径拉伸；
• 扫掠网格一般适用特定几何（如通过扫掠、拉伸等生成的规律几何部件）。

3. 自由网格（Free）：粉红色为可用状态

• 适用于几乎所有合理结构；
• 一般地，节点位置与种子位置重合；
• 网格质量无法保证。

3. 划分经验

1）应力集中：不使用线性缩减单元；

2）网格扭曲：无大扭曲时，使用非协调单元是可行的；一般可使用缩减积分单元；尽可能减小网格扭曲；

3）细化网格，提高精度，直到加密无法再提高求解精度（网格敏感性分析）；

4）三维模型使用Hex单元，结构化网格或扫掠网格：能降低计算资源消耗和获得更高精度的结果；

5）大变形、接触问题应选择修正单元；

6）对于弯曲问题，如果能保证所关心部位的单元扭曲较小，可使用非协调单元（在弯曲剪切上求解精度更高）；

7）对于不可压缩材料：使用杂交单元；

8）如果无法划分成功：检查模型（完整性、毛边/倒刺消除、缝隙检查等）；修复模型；使用虚拟拓扑网格；加密种子； 分割 部件等；

9）每种单元都有其适用场景，没有一种单元万能，也没有一种单元无用；

10）结构化网格能提高计算结果精度、网格质量和降低资源消耗；

11）六面体网格优于四面体：应尽可能使用六面体单元或者修正的四面体（二次）单元；

12）在应力集中区域，使用完全积分单元更容易获得较好的结果；

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