在Abaqus中常见的实体单元大全包括完全积分

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在Abaqus中常见的实体单元包括完全积分、减缩积分、非协调及杂交等四种单元模式，按阶次可分为一阶（线性）和二阶单元。对于一般静力分析，可采用C3D8R，即为减缩积分单元或二阶四面体单元（C3D10M）；在单元较规则、无弯曲情况时可采用C3D8I，即为非协调单元；对于橡胶类可采用C3D8H，即为杂交单元；采用不同的单元类型，其应力和位移结果相差较大。

Abaqus单元的主要差异及特点：

（1）完全积分单元是指具有规则形状（边是直线并且边与边相交成直角）时，所用的Gauss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，如C3D8。

（2）减缩积分单元是指相比完全积分单元在每个方向上少用一个积分点，即一阶单元仅有一个积分点，二阶单元相当于完全积分的一阶单元，如C3D8R。

（3）非协调单元是指增强单元位移梯度的附加自由度引入线性单元，用于加强单元内部的变形梯度，不会导致单元间的变形不协调和材料干涉等问题，主要用于解决一阶完全积分单元的剪切自锁问题，具有较高的计算精度；一般用于单元较规则，无较大扭曲情形下，如C3D8I。

（4）杂交单元是指对于具有不可压缩材料性质的任何单元，体积不发生变化，其压应力不能由节点位移计算，节点位移仅用于计算偏应变和应力；即当材料行为具有不可压缩（泊松比=0.5）或非常接近于不可压缩（泊松比>0.475）时，如橡胶材料，采用杂交单元，如C3D8H。

（5）剪切自锁是在承受弯曲作用下，积分点处发生角度变化，即有剪切应力产生，这种虚假的剪切应力主要是因为线性单元的边不能弯曲，进而导致单元在弯曲时过于僵硬，单元刚度较大。二阶线性单元虽然单元边可以弯曲，但在复杂应力状态下也可能有剪切自锁现象，如图5-8所示。在正常弯曲作用下，角度保持不变，且中间线与外边一起成弯曲状态；当出现剪切自锁时，角度变成，且中间线与外边不成弯曲状态，但角度的变化表明存在剪切应力，而实际正常纯弯曲作用下，材料的剪切应力为0。

（a）基础状态（b）正常弯曲状态（c）剪切自锁状态

图5-8 剪切自锁图示

（6）沙漏是是一种以比结构全局响应高的多的频率震荡及非物理的零能变形模式，产生零应变和应力，通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格，沙漏仅出现在减缩积分（单点积分）的实体、壳及厚壳等单元上，具体详细可参阅第7章相关内容。Abaqus中常见的单元特点及适用场景见表5-2。

表5-2 Abaqus常见单元特点及适用场景

	完全积分单元		减缩积分单元		非协调单元	杂交单元
	一阶	二阶	一阶	二阶	一阶	一阶
单元特点	每一个方向上有2个积分点	每一个方向上有3个积分点	单元的中心只有1个积分点	每一个方向上有2个积分点	在一阶单元中引入一个增强单元变形梯度的附加自由度。这种对变形梯度的增强允许一阶单元在单元域上对于变形梯度有一个线性变化。	杂交单元包含一个可以直接确定单元压应力的附加自由度，节点的位移场则主要用来计算偏应变和偏应力。
图示					/	/
优缺点	优点：计算效率高；不足：存在剪切自锁问题，且精度相对较低	优点：应力结果精度较高；不足：在复杂应力状态下，也有可能发生剪切自锁。	优点：（1）在弯曲荷载下不易发生剪切自锁现象；（2）对位移的求解结果比较精确；（3）网格存在扭曲变形时，分析的精度不会受到太大的影响（4）对于二阶减缩即使不划分很细的网格，也不会出现严重的沙漏问题（5）即使在复杂的应力状态下，对自锁问题也不敏感。不足：（1）单元存在“沙漏模式”，有可能过于柔软。（2）同时不建议用于应力集中位置评估。（3）可通过伪应变能(ALLAE)和内能(ALLIE)来评价沙漏模式对计算结果影响。（4）二阶减缩一般不能用于接触和大变形分析，但C3D10M可选用。		优点：可以克服一阶完全积分单元中的剪力自锁问题不足：对单元的扭曲很敏感，在使用时必须小心以确保单元扭曲是非常小的。	优点：可用于模拟超弹性等不可压缩或接近不可压缩材料不足：应用场景相对较为单一
常见单元类型	C3D8、C3D4	C3D20、C3D10	C3D8R、C3D10M	C3D20R	C3D8I	C3D8H
适用范围	（1）如果关注节点应力，尽量不要选用线性减缩积分单元（如C3D8R）；但对于模拟网格扭曲严重的问题，可采用网格细化的C3D8R单元。（2）若涉及接触、弹塑性及大变形问题，尽量不要选用二阶单元（如C3D20），可选用修正二阶四面体单元（如C3D10M）；对于小位移无接触可选用二阶四面体单元（如C3D10）；（3）完全积分单元容易出现剪切闭锁和体积闭锁问题，尽量不要选用（如C3D8、C3D20）（4）对于规则的（关键区域无扭曲），可选用性价比高的非协调单元（如C3D8I）；但不能用于Explicit。（5）若采用一阶四面体或五面体单元（C3D4和C3D6）时，可通过细化网格提升计算结果精度，一般不建议选用。（6）模拟大应变或者复杂接触条件问题，可选用C3D8R、C3D8I、C3D10M、C3D8H（橡胶专用）；（7）对于关注应力可选用二阶减缩积分单元（如C3D20R）；对于存在应力集中的局部区域，可选用二阶完全积分单元（如C3D20）。（8）对于需要考虑薄膜作用或含有弯曲模式沙漏的问题以及平面弯曲的问题，可选用线性完全积分（如S4、S3）；其他可选用减缩单元（如S4R、S3R）；对于小应变问题，可选用二阶完全或减缩单元（如S8、S8R）（9）对于包含接触问题，可选用一阶剪切变形梁单元（B21, B31）；若关注横向剪切变形可选用二阶梁单元（B22, B32）。若结构非常刚硬或者非常柔软，在几何非线性模拟中，则应当使用杂交梁单元（B21H, B32H等）。若模拟承受分布载荷作用的梁可选用三阶梁单元（B23, B33）。若模拟开口薄壁横截面的结构应该采用应用开口横截面翘曲理论的梁单元（B31OS, B32OS）。