ABAQUS读懂弹簧/非线性弹簧单元——“小而精”的Spring element
弹簧单元类型
用户手册给出三种弹簧单元的定义：
1. SPRINGA
Axial spring between two nodes, whose line of action is the line joining the two nodes. This line of action may rotate in large-displacement an alysis.
两个节点之间的轴向弹簧，其作用线是连接两个节点的线。在大位移分析中，这条作用线可能会发生旋转。
轴向弹簧的力仅作用于轴线上，因此只有平动自由度1/2/3而无转动自由度
2. SPRING1
Spring between a node and ground, acting in a fixed direction
节点与地面之间沿固定方向作用的弹簧
也可称其为接地弹簧，通常应用于土与结构相互作用，例如桩基等。此时就可以不建立土体，直接通过接地弹簧形成土与结构相互作用。可包含平动自由度与转动自由度。
3. SPRING2
Spring between two nodes, acting in a fixed direction
两个节点之间的弹簧，沿固定方向作用
这种弹簧应用最为广泛，可包含平动自由度与转动自由度，如果应用于连接实体单元（C3D8R）或桁架单元（T3D2）则无转动自由度。
应用场景
用户手册指出这三类弹簧求解器的差异，喵星人结合连接方式和典型应用场景，总结如下表：
上表中所述的悬挂点，例如结构通过绳索吊一重物，由于绳索只能沿着轴向传力，并无转动自由度，因此与SPRINGA用途契合。桁架单元也有这种功能，不同之处在于，桁架单元并不能直接赋予轴向刚度，而需要通过弹性模量等进行换算k=EA/L。
SPRING2是应用最广泛的弹簧单元，由于abaqus不提供线单元钢筋与实体单元混凝土间的粘结滑移作用，因此必须通过建立弹簧单元或者连接器单元实现两者间的粘结滑移。因此弹簧能够在钢筋混凝土的精细化有限元分析中大放异彩。
非线性本构
由于可以输入非线性本构，弹簧单元升级为非线性弹簧，其应用场景大大提升，用户手册指出：
You define nonlinear spring behavior by giving pairs of force–relative displacement values. These values should be given in ascending order of relative displacement and should be provided over a sufficiently wide range of relative displacement values so that the behavior is defined correctly. Abaqus assumes that the force remains constant (which results in zero stiffness) outside the range given.
通过给出力与相对位移的对应值对来定义非线性弹簧特性。这些值应按照相对位移的大小顺序排列，并且应在足够宽的相对位移值范围内提供，以便正确定义其特性。Abaqus 假定在给出的范围之外，力保持恒定（这会导致刚度为零）
需要注意的是，非线性弹簧必须通过INP文件输入，且通过INP文件写入后，导入cae模型中不能读取非线性数据，必须直接提交job计算。这是由于CAE界面未提供非线性弹簧的数据记录功能，仅能进行inp操作。
特别需要提醒的是，非线性弹簧仍为弹性，只是其弹性方式为非线性，因此加卸载方式必须沿原路径返回。其与典型连接器单元与特殊粘结滑移单元的差异对比如下图。感兴趣同学可以在我的B站主页查询教程“ABAQUS SCI论文复现——往复荷载作用下钢筋混凝土粘结滑移微观捏缩行为精细化模拟”
输入与输出
非线性弹簧的输入可通过喵星人开发的粘结滑移插件快速生成，其通过插件结合inp文件修改可大大提升建模速度。这里不再赘述，感兴趣同学可以在我的B站主页查询教程“ABAQUS快速建立钢筋与混凝土粘结滑移（非线性弹簧单元/连接器单元）”。
对于输出，用户手册严谨的给出了力与位移的输出模式：
S11：Force in the spring.
E11：Relative displacement across the spring.
这里十分重要！尽管变量写的是S11和E11，但其输出方向并不仅局限于X向，而是指定弹簧时已经确定了方向。例如下图标签卡每一组弹簧仅能定义一个方向，如果需要同时定义XYZ仅通过复 制后修改自由度即可。但是每组弹簧的输出仅仅只有S11和E11两个变量。看不懂的同学可以点击“阅读原文”观看视频。
几种应用问题
针对同学们应用中的问题，喵星人总结如下：
1.快速建立方法
可以参考我B站主页的第一期视频。采用临近点匹配算法可以快速建立网格不一致节点间的弹簧，大大提高建模效率。
2. 界面很卡怎么办
对于复杂结构的粘结滑移设置，在使用完粘结滑移插件后可能出现CAE操作界面卡死的情况，可以通过INP文件操作后直接提交job文件即可。
3. 有无二次开发入口
spring单元在Abaqus中无直接二次开发入口。但由于其仍为单元范畴，用户可通过开发UEL或VUEL代替。
4. 与连接器单元的区别
实际上，连接器单元的功能更多，应用更广泛。但由于其塑性特性，收敛相对更难。但是连接器单元可以用于显式分析步，这是SPRING2单元应用受限的最大原因。后期喵星人也会单独讲解一期连接器单元，大家敬请期待！
结语
结语
无论是弹簧或者非线性弹簧，其操作应用与一般的单元都有一定的差异，今天喵星人结合用户手册和项目经历带大家梳理了一遍要点，让“小而精”的Spring element不再鸡肋。
