我的有限元分析仿真应使用哪种 Abaqus 单元-2：了解单元尺寸维度

正如我们在上篇文章（我的有限元分析仿真应使用哪种 Abaqus 单元-1？）所讨论的那样，在为您的分析选择适当的单元类型时，理解单元行为的基础知识至关重要。然而，在许多情况下，可能有几种可接受的单元类型可以模拟该物理现象。那么，您应该选用哪个单元呢？

   一般情况下，大多数有经验的分析师都会告诉您，您应该选择能够捕获正在模拟的物理场的最简单的单元。考虑到这一点，在规划有限元模型时，首先要确定适当的维数。Abaqus 单元库包含以下内容，用于对各种空间维度进行建模：

• 一维元素 （1D）

• 二维元素 （2D）

• 三维元素 （3D）

• 圆柱形元件

• 轴对称单元

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        在我们深入研究细节之前，首先要区分空间维度和单元维度。虽然命名法可能因您选择的求解器而异，但为了便于讨论，空间维数将是指在有限元分析（FEA）模型中模拟的实际空间；另一方面，单元维度是指定义特定单元类型所需的维度数。例如，让我们考虑Abaqus中的传统B31 Beam单元：单元维数为1D，因为元素仅由两个节点（一个向量）定义；但是，空间维数是 3D 的，因为元素截面属性考虑了横截面尺寸。为了进一步说明这一点，让我们接下来考虑一个传统的三角形壳单元（S3）：单元维数是2D的，因为元素的节点都位于单个平面上;但是，与上面的示例非常相似，截面属性定义了壳元素厚度，这意味着要模拟的空间维度实际上是 3D 的。        一维单元（1D），有时称为“线单元”，可用于沿单元长度（在二维或三维空间中）传输载荷或通量。通常用于模拟长杆件结构，一维单元由两个节点定义;横截面积或形状通过用户输入以数学方式提供，并且可以相应地计算单元行为。一维单元通常为大型结构（例如桁架桥）建模提供了一种方便的方法，因为它们以最低的计算成本提供了系统刚度和位移的特殊表示以及对全局应力的准确理解。但是，应该注意的是，一维单元不适合模拟复杂的几何形状或预测局部应力（例如在应力集中处发生的应力，如缺口或孔）。

        二维元素 （2D）如名称所示，以几何方式在二维中表示，可以是三角形或四边形。当然，三角形元素将由三个角节点组成，而四边形元素将包含四个角节点（如果它们是二阶元素，则分别具有三个或四个中间节点）。尽管单元维数始终是平面的，但这些元素可用于表示 2D 或 3D 空间。如上所述，传统的Abaqus壳单元是用于表示3D空间维度的2D单元维度的一个很好的例子。

然而，更传统的是，术语"二维单元"已被用于指代用于模拟2D空间的单元。这些单元中最常见的是平面应力和平面应变元素，在下面进行了更详细的讨论：

平面应力单元

• 当厚度相对于面内尺寸较小时使用

• 应力仅是平面坐标的函数

• 面外法向应力和剪切应力等于零

平面应变元件

• 用于模拟厚板

• 应变仅是平面坐标的函数

• 面外法向和剪切应变等于零

那么这到底意味着什么呢？简单地说，平面应力单元可用于表示非常薄的结构，因为假设面外对应力的贡献是微不足道的;因此，三维问题可以简化为二维问题，其中应力状态完全由面内应力表示。相反，平面应变单元可用于表示厚结构，因为假设面外应变受主体材料的约束，因此对整体应变状态的影响可以忽略不计（这再次将三维问题简化为二维近似）。

三维元素（3D），通常称为实体单元，是最容易概念化的，因为单元维度和空间维度是相同的。在全局 X，Y，Z 空间中建模时，通常使用实体单元，当几何形状或载荷条件太复杂而无法用较少的尺寸充分表示时。由于三维单元存在于3D空间中，因此产生的应力和应变状态也是三维的。换句话说，当涉及到三维元素时，你所看到的就是你所得到的（大部分）。

顾名思义，轴对称单元可用于模拟围绕中心轴旋转对称的物体;但是，传统的轴对称单元只能在轴对称载荷条件下使用（尽管值得注意的是，确实存在用于建模受非线性、非对称变形的轴对称几何形状的高级单元公式）。由于载荷和几何轴对称性，可以使用2D单元对物体的3D空间维度进行建模。更简单地说，由于应力与轴对称问题的旋转角度无关，因此此类模型由单个二维平面（单元维数）组成;但是，所得到的结果表示三维空间（空间维度）。轴对称问题的一个常见示例是承受内部压力的厚壁圆柱形压力容器。

本文介绍单元维度与空间维度及基本应用场景，后续内容敬请期待！。。。