ABAQUS 单元类型和选型规则

       网格单元的出现源于离散化求解，离散化把连续求解域离散为若干有限的子区域，分别求解各个子区域的物理变量，各个子区域相邻连续与协调，从而达到整个变量场的协调与连续。每个子域内通过数学物理公式描述，单个这样的子域就称为单元。

       有限元方法不仅应用于力场分析，还可以应用到温度场、磁场、渗流场等分析领域，对于不同类型场的基本物理定律也是不一样的，因此就需要用到不同的单元类型，如果需要考虑多场分析，就需要单元同时考虑所需场、以及场之间的耦合关系，也就出现了耦合单元；耦合分析虽然能获得更准确的计算结果，但计算成本会增大，因此我们需要根据分析的问题来简化问题，选择合适的单元类型。

      在选单元之前，我们先了解一下ABAQUS 单元编号法则，而了解单元编号法则就不得不提ABAQUS中单元具备的五个基本要素，分别是：

     1）单元族群，如下图所示为力学分析中常用的单元族群，这些族群的主要区别在于几何特征的差异，适合于研究不同的结构类型，选择合适的族群可以在不降低计算精度条件下，减少计算量，比如：一座高楼大厦如果全用实体单元建模，可能需要千万甚至上亿个实体单元，但如果将大厦的梁柱简化为梁单元，墙和楼板简化为壳单元模拟，单元数量将急剧减少。

       单元编号法则1：它们的首字母或前几位字符通常会作为单元编号的起始字符。比如：‘C3D8’中首

字母‘C’为Continuum elements 的首字母。

2）自由度，是分析过程中计算的基本变量，比如力学分析中的自由度是节点的平移和旋转自由度；传热分析中需要考虑的自由度是节点温度；渗流分析则是孔隙压力自由度……

单元编号法则2：单元自由度通常由单元族群和尾部字符确定，比如尾部字符包含T，则表示包含温度自由度，包含P，则表示包含孔压自由度。

3）节点数，自由度仅在节点位置上计算，而其他位置上的数值则通过内部公式插值获得，而插值方法由单元节点数确定，比如8 节点六面体单元，采用线性插值方式，称为一阶单元；而20 节点六面体单元，也就是在每条单元边中间增加一个节点，采用二次方程插值，因此被称为二阶单元。

单元编号法则3：节点数量会在单元编号中直接体现，比如C3D8 中的‘8’表示8 节点；而其中的‘3’或‘2’后面跟着D 字符，则需要和‘3D’/‘2D’一起辨识为三维/二维单元。

4）单元架构，自由度和节点就像是零件，要把这些零件有机的组合起来，就需要装配说明，而单元架构就是这样的一套装配说明，装配好之后才能称为单元。比如对于拉格朗日架构的单元，材料是跟随单元同步移动；而欧拉架构的单元，材料则可以在单元中流动。

       其次，为了满足一些特殊的计算需求，会对一些基本构架进行修改，比如壳体单元分薄壳和厚壳，主要区别是否考虑壳体法向应力分量。

      另外，不同自由度之间的耦合也是需要特殊的架构去描述。

5）积分点，其作用是为了简化域内非均匀场的积分过程，而抽象出来的点，在计算过程中我们仅获得积分点位置的材料响应，比如应力、应变等。所以在离散化过程中，积分点越多，单元内应力、应变的描述会更加准确些，但并不是越多越好。

      积分点位置根据单元形状以及高斯正交法则进行确定，如果不确定，可以查下帮助文档分析手册Elements 章节中有详细介绍，下面为平面实体单元的积分点分布情况。三节点单元和四节点减缩积分单元均只有一个积分点，因此查询单元应力时，只有一个应力数值；其它单元类型均有N 个积分点，也就会获得N 个单元数值。

• 为了方便ABAQUS 的初学者，下面对ABAQUS单元类型选型规则汇总为如下表格

ABAQUS单元类型和选择规则.png