Abaqus热-应力分析中单元选择的策略

对于结构响应和热响应,它们各自单元选择的控制因素是不同的。

对于热响应：一阶传热单元通常适合应用于包含不连续温度梯度的问题(如潜在热源引起)，以及不光滑的非线性问题。二阶传热单元更适合光滑的响应分析。

对于结构响应，在热-应力分析中常见的变形模式为弯曲。所以热-应力分析主要考虑的是弯曲变形下的单元选择。

一般来说，结构单元(梁和壳)对弯曲为主的问题,是高效经济的解决方式。连续体单元也可以用于模拟弯曲变形,并且在某些情况下是必须的:

1）厚度方向上的应变需要精确分析。

2）梁或壳理论不适用，如厚重的结构。

3）使用连续体单元分析弯曲为主的问题，对于单元类型和网格划分必须有特殊的考虑。

有限元法模拟弯曲时有以下假定：

1）横截面在变形过程中始终保持为平面。

2）轴向应变沿着厚度线性变化。

3）如果泊松比为 0,则厚度方向的应变等于0。

4）没有薄膜剪切应变。

因此，采用二阶实体单元模拟弯曲变形时，轴向应变等于初始水平线长度的改变，厚度方向的应变为零，剪切应变为零。

使用二阶实体单元模拟弯曲

使用使用一阶完全积分实体单元模拟弯曲变形，该单元在积分点处探测到剪切应变。由于部分能量用于剪切变形而非弯曲变形，因此造成过于刚硬的材料行为，即通常称为剪切自锁。

使用一阶完全积分实体单元模拟弯曲

ABAQUS提供的一阶减缩积分单元模拟弯曲时，可以消除剪切自锁。由于这种单元只在形心处有一个积分点，因此厚度方向不能探测到弯曲引起的应变，即产生沙漏问题。这种单元中的每个单元都可以捕捉到轴向的拉伸或压缩应变,但不会在一个单元同时捕捉到这两种应变，轴向应变可以被准确度量，厚度方向和剪切应变都是零，是廉价高效的单元类型。

非协调模式单元是模拟弯曲为主的问题中性价比最高的实体单元。厚度方向上只需一个单元即可模拟弯曲变形。

在做热-应力分析时，由于单元的选择不合适，或网格布置不合适，常会产生不真实的结果。因此，需要结合实际谨慎选择。同时，对热-应力分析的模型网格划分，还有如下建议：

1）温度梯度很大的区域应适当加密网格，以精确捕捉产生的热应变梯度。

2）为了避免结构的过约束,在单元选择和边界条件施加时应特别小心。

上述内容不仅适合于顺序热-应力分析以及绝热分析，也适合于完全耦合分析中的温度-位移耦合分析。

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