一文搞明白仿真中壳单元和体单元连接问题三

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，而现代壳单元有3个移动自由度和3个旋转自由度；经典壳无面内旋转自由度，即只有5个自由度。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。案例说明：模型共有1、2和3处组成，其中2和3处厚度为1mm，1处厚度为6mm；不考虑全模型采用实体建模，对其中1处采用体单元建模，其余采用壳单元建模，同时考虑壳与体的自由度连接问题，将中部部分分解为1、4和5，其中4与2等厚；5与3等厚，建立的有限元模型如图2所示。其中4和5分别与1进行TIE绑定连接。为验证模型处理的准确合理性，分别建立端部垂向力加载、模态分析和端部轴向扭矩加载三个工况。

图1 基础模型    

图2 有限元模型

图2 有限元模型

图3 模型工况

整个模型尺寸：840*14*8mm

图4 基础实体模型（单元尺寸4mm，总厚度8mm，1+6+1）

图5 体与壳TIE模型（壳厚度1mm，体厚度6mm）    

图6 体与壳TIE模型（TIE为NTS，且体为主面）

图7 体与壳TIE模型（1个TIE为STS，且体为主面）    

图8 体与壳TIE模型（2个TIE为STS，且体为主面）

图9 体与壳TIE模型（2个TIE为STS，且体为从面）    

图10 体与壳TIE模型（1个TIE为STS，1个TIE为NTS，且体为从面）

图11 壳模型（壳厚度8mm）

图12端部垂向力工况位移对比图

图13端部垂向力工况应力对比图

图14体单元是否包壳应力对比图

图15模态工况对比图    

图16扭矩工况对比图

1）从静力位移结果看，结果一致性较好的为：1、4、6、7、9、10

2）从静力应力结果看，结果一致性较好的为：4、6、7、9、10；

3）从一阶频率结果看，结果一致性较好的为：1、4、5、6、8、9、10；

4）从扭矩结果看，结果一致性较好的为：1、4、5、6、8、9、10。

结合考虑：当采用壳与体TIE连接模拟不等厚处时，建议采用4和6

以上研究成果可作为体单元与壳单元的TIE连接方式参考。