一文搞明白仿真中壳单元和体单元连接问题

在实际项目建模过程中，发现有些零件采用不等厚设计，如螺栓或FDS连接区域往往厚度比较厚（如10-15mm），方便紧固，而其余位置均采用薄壁设计（如2-3mm），此时厚的位置不方便采用壳单元建模。还有一种情况就是局部采用壳单元建模，而不方便壳单元建模的位置采用体单元建模，壳与体单元的连接成为一个关键点。若连接方式不合适，将会造成不正确的结果。

基于有限元理论体单元只有3个移动自由度，而壳单元有3个移动自由度和3个旋转自由度。由此在连接过程中如何不合适将会形成一个旋转铰链，只能传递位移和剪切力，无法传递弯矩。

本文通过一个小案例进行对比阐述。

图1 基础实体模型（单元尺寸1mm）    

图2 体与壳+体包壳模型（单元尺寸1mm）

图3体与壳+一个rbe2模型（单元尺寸1mm）    

图4体与壳+两个rbe2模型（单元尺寸1mm）

图4体与壳+三个rbe2模型（单元尺寸1mm）

图5体与壳+五个rbe2模型（单元尺寸1mm）

图6模型对比图（体包壳连接）

图7模型对比图（rbe2连接）

图8位移对比图（体包壳连接）

图9位移对比图（rbe2连接）

图10应力对比图（体包壳连接）

图11应力对比图（rbe2连接）

图12一阶频率对比图（体包壳连接）

图13一阶频率对比图（rbe2连接）

表1 体单元与壳单元连接结果对比

小结：          

1）从位移、应力及频率对比结果看，与基础体单元模型结果一致性最好的序号排序如下：16、15、9、10、8、11、12、6

2）在体单元连接处包壳的厚度影响整体结果，9和10即壳厚度1.5mm和2mm与基础一致性最好，即包壳厚度建议在实际厚度左右为好；

3）随着包壳厚度的增加，频率会下降低，主要是因质量增加贡献大于刚度贡献；

4）若采用rbe2作为体与壳单元的连接，15和16即壳单元一个点对应体单元三个节点以上一致最好。

5）从以上对比结果看，正确的体单元与壳单元的连接非常关键，直接影响力的传递和结果。

以上研究成果可作为体单元与壳单元的连接方式参考。