[P]ABAQUS减缩积分和完全积分认识整理.docVIP

ABAQUS减缩积分与完全积分认识 一 引言 [模型不易收敛时可以尝试取消勾选减缩积分选项（对应三维单元C3D8R），即，使用完全积分单元（C3D8），一定程度上可以提高计算收敛性]（来自叶新宇），如图1~2所示。 图1 减缩积分单元C3D8P（其中P为渗流计算孔压单元） 图2 完全积分单元C3D8P（其中P为渗流计算孔压单元） 以下整理了论坛和书籍上关于减缩积分及完全积分单元的相关阐述，以供大家学习交流。（第三部分较为详细，且来自书籍《abaqus有限元分析常见问题解答》较具权威性） 二 减缩积分（来自网络） 减缩积分即选取高斯积分点的数目少于精确积分要求的积分点数。 当在计算中必须进行数值积分时，如何选择数值积分的阶次将直接影响计算的精度和计算的工作量。如果选择不当，甚至会导致计算的失败。 高斯积分阶数等于被积函数所有项次精确积分所需要阶数的积分方案，称之为精确积分或完全积分。 但是在很多情况下，实际选取的高斯积分点数低于精确积分的要求。 高斯积分阶数低于被积函数所有项次精确积分所需要阶数的积分方案称之为减缩积分。 ============================================================================= 三 单元类型背景知识（来自书籍） （说明：以下内容基本同于《abaqus有限元分析常见问题解答》9.1节） 在ABAQUS中，基于应力/位移的实体单元类型最为丰富： （1） 在ABAQUS/Sandard中，实体单元包括二维和三维的线性单元和二次单元，均可以采用完全积分或缩减积分(abaqus中只有四边形和六面体单元才允许使用减缩积分单元)，另外还有修正的二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，以及非协调模式单元和杂交单元。 （2）ABAQUS/Explicit中，实体单元包括二维和三维的线性缩减积分单元，以及修正的二次二次Tri单元（三角形单元）和Tet单元(四面体单元)，没有二次完全积分实体单元。 按照节点位移插值的阶数，ABAQUS里的实体单元可以分为以下三类： 线性单元（即一阶单元）：仅在单元的角点处布置节点，在各个方向都采用线性插值。 二次单元（即二阶单元）：在每条边上有中间节点，采用二次插值。 修正的二次单元（只有Tri 或Tet 才有此类型）：在每条边上有中间节点，并采用修正的二次插值。 ***************************************************************************************** 1 线性完全积分单元： 当单元具有规则形状时，所用的高斯积分点的数目足以对单元刚度矩阵中的多项式进行精确积分。 缺点：承受弯曲载荷时，会出现剪切自锁，造成单元过于刚硬，即使划分很细的网格，计算精度仍然很差。 2 二次完全积分单元：? 优点： （1）应力计算结果很精确，适合模拟应力集中问题； （2）一般情况下，没有剪切自锁问题（shear locking）。 但使用这种单元时要注意： （1）不能用于接触分析； （2）对于弹塑性分析，如果材料不可压缩（例如金属材料），则容易产生体积自锁（volumetric locking）； （3）当单元发生扭曲或弯曲应力有梯度时，有可能出现某种程度的自锁。 3 线性减缩积分单元： 减缩积分单元，比普通的完全积分单元在每个方向少用一个积分点； 线性缩减积分单元：只在单元的中心有一个积分点，由于存在沙漏数值问题（hourglass）而过于柔软。采用线性缩减积分单元模拟承受弯曲载荷的结构时，沿厚度方向上至少应划分四个单元。 优点： （1）对位移的求解计算结果较精确； （2）网格存在扭曲变形时（例如Quad 单元的角度远远大于或小于90o），分析精度不会受到明显的影响； （3）在弯曲载荷下不易发生剪切自锁。 缺点 （1）需要较细网格克服沙漏问题； （2）如果希望以应力集中部位的节点应力作为分析目标，则不能选用此单元。 ?????——因为线性缩减积分单元只在单元的中心有一个积分点，相当于常应力单元，在积分点上的应力结果实相对精确的，而在经过外插值和平均后得到的节点应力则不精确。 4 二次减缩积分单元 不但保持线性减缩积分单元的上述优点，还具有如下特点： （1）即使不划分很细的网格也不会出现严重的沙漏问题； （2）即使在复杂应力状态下，对自锁问题也不敏感。 使用这种单元要注意： （1）不能用于接触分析； （2）不能用于大应变问题； （3）存在与线性减缩积分单元类似的问题，由于积分点少，得到的节点应力的精度往往低于二次完全积分单元。 5 非协调模式单元 仅在ABAQUS/Standard 有，可克服线性完全积分单元中的剪切自锁问题。 ABAQU