有限元单元介绍

第二章单元

在显式动态分析中可以使用下列单元：

·LINK160杆

·BEAM161梁

·PLANE162平面

·SHELL163壳

·SOLID164实体

·COMBI165弹簧阻尼

·MASS166质量

·LINK167仅拉伸杆

本章将概括介绍各种单元特性,并列出各种单元能够使用的材料类型。

除了PLANE162之外,以上讲述的显式动态单元都是三维的,缺省时为缩减积分(注意：对于质量单元或杆单元缩减积分不是缺省值)缩减积分意味着单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数少。因此,实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分。当然,这两种单元也可以采用全积分算法。详细信息参见第九章沙漏,也可参见《LS-DYNA Theoretical Manual》。

这些单元采用线性位移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元。因此，显式动态单元中不能使用附加形状函数，中节点或P-单元。线位移函数和单积分点的显式动态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。

值得注意的是，显单元不直接和材料性能相联系。例如，SOLID164单元可支持20多种材料模型，其中包括弹性，塑性，橡胶，泡沫模型等。如果没有特别指出的话（参见第六章，接触表面），所有单元所需的最少材料参数为密度，泊松比，弹性模量。参看第七章材料模型，可以得到显式动态分析中所用材料特性的详细资料。也可参看《ANSYS Element Reference》,它对每种单元作了详细的描述，包括单元的输入输出特性。

2.1实体单元和壳单元

2.1.1 SOLID164

SOLID164单元是一种8节点实体单元。缺省时，它应用缩减（单点）积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法。单点积分的优点是省时，并且适用于大变形的情况下。当然，也可以用多点积分实体单元算法（KEYOPT（1）=2）；关于

SOLID164的详细描述，请参见《ANSYS Element Reference》和《LS-DYNA Theoretical Manual》中的§3.3节。如果担心沙漏现象，比如泡沫材料，可采用多点积分算法，因为它无需沙漏控制；计算结果要好一些。但要多花大约4倍的CPU时间。

楔形、锥型和四面体单元是六面体单元的退化产物（例如，一些节点是重复的）。这些形状在弯曲时经常很僵硬，有些情况下还有可能产生问题。因此，应尽量避免使用这些退化形状的单元。

对于实体单元可采用下列材料模型：

·各向同性弹性

·正交各向异性弹性

·各向异性弹性

·双线性随动强化

·塑性随动强化

·粘弹性

·Blatz-ko橡胶

·双线性各向同性

·幂律塑性

·应变率相关塑性

·复合材料破坏

·混凝土破坏

·地表材料

·分段线性塑性

·Honeycomb蜂窝材料

·Mooney-Rivlin橡胶

·Barlat各向异性塑性

·弹塑性流体动力

·闭合多孔泡沫

·低密度泡沫

·粘性泡沫

·可压缩泡沫

·应变率相关幂律塑性

·Johnson-Cook塑性

·空材料

·Zerilli-Armstrong

·Bamman

·Ste inberg

·弹性流体

2.1.2 SHELL163

SHELL163单元有12中不同的算法。用KEYOPT（1）来定义所选的算法。和实体单元一样，积分点的个数直接影响着CPU时间。因此，对于一般的分析而言，建议使用缺省积分点个数。以下将概述SHELL163单元的不同算法：

2.1.3通用壳单元算法

·Belytschko-Tsay(KEYOPT(1)=0或2)—缺省

—速度快，建议在多数分析中使用

—使用单点积分

—单元过度翘曲时不要使用

·Belytschko-Wong-Chiang(KEYOPT(1)=10)

—比Belytschko-Tsay慢25%

—使用单点积分

—对翘曲情况一把可得到正确结果

·Belytschko-Leviathan(KEYOPT(1)=8)

—比Belytschko-Tsay慢40%

—使用单点积分

—自动含有物理上的沙漏控制

·Hughes-Liu(KEYOPT(1)=1,6,7,11)有4种不同的算法，它可以将节点偏离单元的中面。

KEYOPT(1)=1一般型Hughes-Liu，使用单点积分，比Belytschko-Tsay慢250%。

KEYOPT(1)=11快速Hughes-Liu，使用单点积分，比Belytschko-Tsay慢150%。

KEYOPT(1)=6S/R Hughes-Liu，有4个积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay慢20倍。

KEYOPT(1)=7 S/R快速Hughes-Liu，有4个积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay慢8.8倍。如果分析中沙漏带来麻烦的话，建议使用此算法。

KEYOPT(1)=12全积分Belytschko-Tsay壳。在平面内有四个积分点，无需沙漏控制。通过假设的横向剪切应变可以矫正剪切锁定。但是它比单点Belytschko-Tsay慢2.5倍，如果分析中担心沙漏的话，建议使用此方法。

2.1.4薄膜单元算法

·Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=5）

—速度快，建议在大多数薄膜分析中使用

—缩减（单点）积分

—很好地用于关心起皱的纺织品（例如，大的平面压缩应力破坏较薄的纤维单元）

·全积分Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=9）

—明显的比通用薄膜单元慢（KEYOPT(1)=5）

—面内有四个积分点

—无沙漏