设置Abaqus实体单元与壳单元接触关系的技巧

问题简介：

当查阅实体单元和壳单元接触怎么设置时，有的资料显示用Tie绑定，有的资料显示用Shell-to-solid coupling，莫衷一是，因此自己决定搞清楚这两种不同的约束条件到底适用什么样的情况，这两种接触如图1所示。

图1 Constraint中Tie和Shell-to-solid coupling

这里先放上结论：Tie绑定适合壳单元中大尺寸与实体单元的接触情况；Shell-to-solid coupling适用于壳单元中厚度方面的面（选择中其实是壳单元的边）与实体单元的接触问题。具体分析如下：

接触关系-Tie绑定

这种接触关系适用于壳单元的大面。例如，三维壳单元外观显示上是厚度很小的一个薄片，那这个大面就是我们看到的薄片的面。如下图所示，我将薄片划分了两部分，大面薄片方向，如图2红色所示。而壳单元的小面显示时就类似于一条边，因为壳单元是有厚度的，该厚度方向为壳单元的法向，因此实际中壳单元的边是一个宽度为厚度大小的小面，如图3所示。

图2 壳部件的大面

图3 壳部件的小面

设置案例对该种接触进行检验，具体工况如图4所示，左端全约束，然后壳单元的一般与实体单元Tie接触，另一端悬空加荷载。计算结果如图5所示，实体单元应力结果如图6所示。通过观察我们发现分析的结果还是比较符合预期的。

图4 计算案例

图5 整体计算结果

图6 实体单元应力结果

而当我尝试将接触关系改为Shell-to-solid coupling时，弹出错误提示，说该接触只能用在壳单元的边上，无法进行设置。因此，当大面与实体单元接触时，应该选用Tie绑定而非Shell-to-solid coupling。

接触关系-Shell-to-solid coupling

这种接触关系适用于壳单元的小面。而壳单元的小面显示时就类似于一条边，因为壳单元是有厚度的，该厚度方向为壳单元的法向，因此实际中壳单元的边是一个宽度为厚度大小的小面，如图3所示。关于Shell-to-solid coupling这种接触关系帮助文件给出的例子如图7、8所示，仔细观察我们就会发现这些例子都会有一个共同的特点，即都是由壳单元的边（而非壳单元的大面）与实体单元建立的接触关系。