壳单元与实体单元的仿真对比

       壳单元常用于薄壁件，如容器、板材等，每个节点有6个自由度，可以沿XYZ的移动和转动。壳单元的使用场景是结构在厚度方向上的尺寸远小于其他两个维度，因此可以使用壳单元来简化模型，提高计算效率。壳单元的数学原理是基于薄壁结构的理论，其中厚度方向的变形可以忽略。壳单元适用于考虑板、壳的弯曲、扭曲等变形行为。

      对于实体单元，几乎任何一个部件都可以用实体单元来建模，但是有时实体单元数量难以控制，单元质量控制比较困难，四面体中容易出现小夹角单元，六面体单元容易出现纵横比过大的单元，而且实体单元应用不当还会出现沙漏、剪切自锁等问题。

      本次仿真分析的平板结构尺寸为长600mm、宽200mm、高15mm，一段固定，一段加载垂直平板的10000N的载荷模拟弯曲，为了避免边界影响，基于梁截面纯弯时的表面应力计算方法，该平板上表面(受拉)中间跨度位置的应力，经过计算为400Mpa，具体计算公式如下：

       为了验证壳单元和实体单元的差别，分别划分了如下的网格，网格尺寸都是5mm，壳单元的厚度为15mm，实体单元设置为3层，实体单元类型设置为C3D8。

图1.网格划分

a.材料设置

           由于工况简单，材料仅设置弹性属性即可(合金钢)：

图2.材料属性

        然后分别对两部分结构设置壳和实体属性：

图3.材料截面属性赋予

b.载荷步设置

          载荷步方面，设置静力通用，其他的默认，不开启大变形：

图4.载荷步设置

c.边界设置

      针对壳单元，左侧节点约束6个自由度，对于实体单元，左侧节点约束3个自由度，具体如下：

图5.固定约束设置

        然后在右端加载10000N的载荷，根据节点数目均布：

图6.载荷施加

d.结果分析

       经过分析，我们看下最大主应力和Mises应力，在图中可以看到平板上表面主应力和Mises应力明显不同：

图7.最大主应力

图8.Mises应力

      然后提取平板结构(壳单元)上表面的最大主应力，仿真结果为398Mpa，与前面理论计算结果相近，由于实体单元采用的是一阶单元，并且模拟纯弯曲，所以应用该单元可能会发生剪切锁死，导致结果出现问题。

图9.提取中间表面最大主应力

      然后同样应用C3D8单元计算拉伸，我们可以看到应力结果是一致的：

图10.拉伸工况壳单元和实体单元结果对比

      然后我们再将实体单元换成高阶单元：C3D20R，采用与上面相同的弯曲载荷(右端Z向加10000N)：

图11.实体高阶单元

      计算完成后，首先观察整体变形情况，壳单元右端变形为59.224mm，实体单元右端变形59.253mm，基本一致：

图12.整体变形

      然后我们再看Mises应力，从下图中可以看到Mises应力也是一致的(除边界区域稍有不同)：

图13.高阶实体单元与壳单元Mises应力结果

       在看主应力时，针对壳单元，需要设置顶层或底层，abaqus默认底层：

图14.底层主应力结果

图15.顶层主应力结果