ABAQUS喵星人教你看懂不同类型单元的应力方向 原创

应力为典型的张量，具有明显的坐标相关性，大家常用查看单元应力方向的方法为直接通过整体坐标系判断XYZ方向，但这种方法仅适用于实体单元，对于其他类型单元（例如壳单元、Beam单元、Truss单元、Cohesive单元等）或特殊坐标系下的实体单元则不再适用，若仍然采用整体坐标系判定方向则会限制对后处理结果的解读。今天喵星人就通过一个教程带大家学习不同类型单元的应力方向应该如何看。

1.实体单元

默认的实体单元应力方向服从整体坐标系，若想查看其他坐标系下的应力情况则需定义其他坐标系，建立的方式既可在前处理内定义，也可在后处理内完成，前后处理中坐标系的定义位置如下图所示。

完成坐标系定义后，在后处理结果选项-转换-用户指定中选择自定义的坐标系，如图所示。注意此时选择应力张量后，图例中已切换至指定坐标系模式。

对于特殊部件，例如柱状的PCCP等部件下，同学们更加关注径向受力与环向受力等特殊情况，因此可采用柱坐标系（更加特殊情况可采用球坐标系），此时定义的坐标系为RTZ，其中R方向为径向，应力张量序号为1，T为切向，应力张量序号为2，Z为轴向，应力张量序号为3。

若同学们不理解张量方向，可在后处理中点击绘制符号。此时应力云图中附带当前应力张量的方向，如图所示即为1方向（径向）矢量场。

2、壳单元

注意，壳单元方向不再服从整体坐标系，而是服从在材料定义中的材料指派方向，如图所示。注意，在板壳基本理论中，壳单元无法向（张量3方向）的应力，其中材料局部坐标系1/2方向即代表后处理张量1/2方向。

很尴尬的是，若同学们希望获得与壳单元法向的相互作用力。喵星人在不突破板壳力学基本理论的前提下，发现可以通过相互作用的法向接触场变量CPRESS来代替其他单元与壳单元的法向作用力，如图所示。需要注意的是，由于CPRESS已经表明是接触法向，因此不具备张量特性，不再强调是服从哪个坐标系。

3.Beam单元

Beam单元常被用于筋以及纤维梁柱的模拟，与桁架单元不同的是Beam单元必须在前处理中指定截面方向，如图所示。此时1轴与2轴方向为剖面的1轴与2轴方向，而在后处理的应力张量中，1方向代表着轴向，且无22和33方向的应力分量，这种前后处理符号不一致的情况一定要小心。

此外，梁单元允许查看剪切方向应力S12，若关注截面合力，也可查看张量SF1/2/3，如图所示。需要特别提醒的是，SF1为前处理中的轴向t，SF2为前处理中的方向1，SF3为前处理中的方向2，这里方向颠倒，需要特别留意。

4.Truss单元

Truss单元的可用应力分量只有轴向S11，且在隐式分析下，Mises应力为S11应力的绝对值。但在显式分析中，无Mises应力，只有S11可以查看结果。

5.Cohesive单元

Cohesive单元不像壳单元可以默认部件形式形成厚度方向，其厚度方向必须在网格中通过扫掠形成，若未扫掠，abaqus的网格则通过右手螺旋法则判定厚度方向，如图所示。

此时厚度方向为3方向，1与2方向可在后处理中的材料方向获得，如图所示。

由于Cohesive单元表征了两个粘结层中的法向粘结与切向粘结，因此法向粘结力通过S33表征，注意正应力分量S11与S22无切向意义，因此没有这两个张量的结果！而切向粘结则通过剪应力分量S13/S23获得，如图所示。

结语

不同单元的应力方向不同其实本质上反应了不同单元的基本原理差异，例如壳单元根据Kirchhoff板假定则无3方向应力，Cohesive单元采用了牵引力-分离模型则无1方向与2方向的正应力，仅保留1方向与2方向切应力与3方向正应力。可见后处理的概念需要精通力学与数学的基本原理。此外，应力张量的查看大家不要觉得是论文充字数的部分，许多模型可以通过应力张量、主应力方向等分析传力机制，这也是有限元解读力学原理的重要途径之一。

有兴趣的同学可以点击下方“阅读原文”观看操作流程。希望喵星人的技巧对您所有帮助~