ABAQUS中壳单元的选择与应用

如果一个薄壁构件的厚度远小于其典型整体结构尺寸（一般为小于1/ 10 ），并且可以忽略厚度方向的应力，就可以用壳单元来模拟此结构。壳体问题可以分为两类：薄壳问（忽略横向剪切变形）和厚壳问题（考虑横向剪切变形）。

对于单一各向同性材料，一般厚度和跨度的比值小于1/ 15 时，可以认为是薄壳；大于1/ 15 时，则可以认为是厚壳。对于复合材料，这个比值需要更小一些。

ABAQUS 的壳单元可以有多种分类方法，按照薄壳和厚壳可划分为：

1)通用目的 (general-purpose) 壳单元：此类单元对薄壳和厚壳问题均有效。

2) 特殊用途 (special-purpose) 壳单元：包括纯薄壳(thin-only) 单元和纯厚壳(thick-only) 单元。

根据单元的定义方式，还可以将ABAQUS 壳单元划分为：

1) 常规(conventional) 壳单元：通过定义单元的平面尺寸、表面法向和初始曲率来对参考面进行离散，只能在截面属性中定义壳的厚度，而不能通过节点来定义壳的厚度。

2) 连续体( continuum) 壳单元：类似于三维实体单元，对整个三维结构进行离散。

选择壳单元的类型时可以遵循以下原则。

1) 对于薄壳问题，常规壳单元的性能优于连续体壳单元；而对于接触问题，连续体壳单元的计算结果更加精确，因为它能在双面接触中考虑厚度的变化。

2) 如果需要考虑薄膜模式或弯曲模式的沙漏问题，或模型中有面内弯曲，在 ABAQUS/Standard 中使用s4单元 (4 节点四边形有限薄膜应变线性完全积分壳单元)可以获得很高的精度。

3) S4R 单元 (4 节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元)性能稳定，适用范围很广。

4) S3/S3R 单元 (3 节点三角形有限薄膜应变线性壳单元)可以作为通用壳单元使用。由于单元中的常应变近似，需要划分较细的网格来模拟弯曲变形或高应变梯度。

5) 对于复合材料，为模拟剪切变形的影响，应使用适于厚壳的单元(例如s4、S4 R 、S3 、S3R 、S8R) ，并要注意检查截面是否保持平面。

6) 四边形或三角形的二次壳单元对剪切自锁或薄膜自锁都不敏感，适用于一般的小应变薄壳。

7) 在接触模拟中，如果必须使用二次单元，不要选择STRI65 单元(三角形二次壳单元) ，而应使用 S9R5单元 (9节点四边形壳单元)。

8) 如果模型规模很大且只表现几何线性，使用S4R5单元(线性薄壳单元)比通用壳单元更节约计算成本。

9) 在 ABAQUS/Explicit 中，如果包含任意大转动和小薄膜应变，应选用小薄膜应变单元。

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