揭秘Abaqus中的“街溜子”单元

01无用之用的“街溜子”单元

Abaqus的Special-Purpose Elements之中，有一种非常奇怪的Surface单元，它没有材料，没有厚度、也没有刚度。

在有限元软件中，如果没有这些基本的结构属性，意味着没有多少用，因为它不能代表真实世界中的任何物体，甚至极其微小的载荷都能使它产生无限的变形。

按道理，作为Abaqus中的特殊单元，必须要有一技之长，才有用武之地。比如Gasket单元，能为垫片提供一种快捷、精准的建模方法；Acoustic Interface单元，可以充当结构与声学单元之间不同自由度的“翻译”；Cohesive单元，能对界面强度与完整性问题进行建模...

而没有任何特长的Surface单元，是不是毫无用处？恰恰相反，这家伙反而像个“街溜子”，四处乱窜，应用相当之广泛，在各种类型的建模问题中都能碰到它，这货是真正做到了庄子说的“无用之用，方为大用”。

02Surface单元的作用

• 作用1：携带加强筋

虽然没有内禀刚度，但是Surface单元可以携带Rebar，模拟加强结构，比如下图中的轮胎建模，黄、绿、蓝颜色的单元是携带加强筋的Surface单元，红色短线显示了加强筋的布置方向，它们被嵌入到轮胎的实体单元内部，可以准确地表征轮胎中的钢丝带束层、帘布层等加强结构。

轮胎中的surface单元

• 作用2：可变形刚性面

Surface单元也可以被约束为刚体，或通过控制节点位移，形成可变形刚性面，利用接触来驱动其他部件的运动，典型应用是支架的卷曲、膨胀、弯曲和分叉变形。

可变形刚性面

• 作用3：生成粒子

Surface单元还可以作为粒子生成器的出口（法向为inlet粒子流向），用来生成不同种类的颗粒（DEM/SPH/LKM），参考此公众号之前推送的文章SPH粒子生成器。

粒子生成器出口

• 作用4：流体腔辅助面

在Fluid Cavity分析中，为了使流体腔闭合，可以在模型中添加Surface单元作为辅助，或者在多个气室之间通过Surface单元建立隔膜。

爆胎模拟与多气室气帘

作用5：波浪显示

Abaqus/AQUA分析后处理的时候，可以用Surface单元来显示波浪的自由表面，使用时需注意网格划分要足够精细，以便捕捉波浪形状。

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AQUA分析波浪显示

• 作用6：附加特征

Surface单元还可以给模型中的部件添加质量或其他特征。如果你经常用CEL方法，可能会知道目前Abaqus欧拉-拉格朗日接触是不支持梁单元的，有这个限制作为前提，接下来这个案例应该算得上是“骚操作”了，刚形成这个思路时我还不确定可行性，建了个模型试算一下，竟然是可以的，后续会做一组Validation看看这种方法精度如何、有没有实用价值。

欧拉单元与拉格朗日梁单元相互作用

我相信Surface单元的用处不止于此，大家使用的时候继续拓展吧。

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