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Abaqus分析重要概念:剪切闭锁和体积闭锁
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力学与Abaqus仿真
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Abaqus/Standard 中的完全积分单元不会出现沙漏模式的数值问题,却可能出现剪切闭锁(shear locking)和体积闭锁(volumetric locking)等数值问题
,下面介绍一些相关知识。
(一)剪切闭锁
剪切闭锁现象一般发生在出现弯曲变形的线性完全积分单元中(例如CPS4、CPE4、C3D8)。
线性单元的直边不能承受弯曲载荷作用,分析过程中可能出现本来不存在的虚假剪应变,使单元的弯曲刚度过大,计算的位移值偏小,即单元的位移场不能模拟由于弯曲而引起的剪切变形和弯曲变形,这就是所谓的“剪切闭锁”现象。
当单元长度与厚度的数量级相同或长度大于厚度时,此现象会更严重。
需要注意的是,剪切闭锁现象仅影响受弯曲载荷作用的完全积分线性单元。如果模型受到的是剪力载荷,完全积分线性单元的计算结果则非常好。
对于二次单元,由于单元的边上可以发生弯曲变形,一般也不会出现剪切闭锁现象。但是如果单元畸变非常严重,或者应力状态非常复杂,存在弯曲应力梯度,二次单元也会出现某种程度的闭锁现象。
只有当载荷所产生的弯矩非常小时,才可以考虑采用完全积分线性单元。
若不能肯定弯曲载荷作用的影响大小,可以尝试使用不同的单元类型,并比较其分析结果,然后选定合适的单元类型。
如果怀疑模型中出现了剪切闭锁现象,可以考虑采用非协调单元或减缩积分单元
,如果模型中网格扭曲非常厉害,仅仅改变单元类型往往不会使计算结果得到很大的改进,划分网格时应尽可能保证单元形状是规则的。
(二)体积闭锁
体积闭锁是完全积分单元受到过度约束(overconstraint)时的一种闭锁现象。如果材料是不可压缩的或是近似不可压缩的,完全积分单元可能变得特别刚硬而不会产生体积变形,即所谓的“体积闭锁”。
体积闭锁的一个显著特征是:各个积分点之间或各个单元之间的静水压应力出现急剧变化。在 Visualization 功能模块中可以绘制静水压应力的云纹图,如果看到静水压应力从一个积分点到另一个积分点的变化很大,呈棋盘形分布,就有可能出现了体积闭锁的数值计算问题。
如果模型中出现了体积闭锁的数值问题,可以采用下列方法解决:
1)选取适当的单元类型
对于不可压缩材料的 Abaqus/Standard 分析,当塑性应变与弹性应变在同一个数量级上时,二次完全积分单元容易出现体积闭锁现象,往往还伴随着沙漏模式的数值问题。因此不能用于弹塑性分析中。如果必须采用完全积分的二次实体单元,则需要选择这种单元类型的杂交单元形式,但其计算费用将大大增加。
如果使用二次减缩积分单元(例如 C3D20R),当应变大于20% ~ 40%时,需要划分足够密的网格才不会产生体积自锁。
建议使用的单元类型为:非协调单元、线性减缩积分单元或修正的二次四面体单元(
C3D10M)。
2)细化网格
在塑性应变较大的区域应划分足够细化的网格。
3)引入少量的可压缩性
对于不可压缩材料(泊松比
),适当引入少量的可压缩性可以减轻体积闭锁现象。几乎不可压缩材料和完全不可压缩材料的计算结果很接近,因此可以将不可压缩材料的泊松比取为0.475-0.5之间的值。
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首次发布时间:2021-05-11
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力学与Abaqus仿真
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