ABAQUS中的沙漏模式与物理稳定性控制策略

ABAQUS是一款强大的有限元分析软件，其中涉及到的"沙漏"概念是指在某些特定条件下的非物理性数值行为。在有限元方法中，节点位移是基本变量，通过形函数插值计算单元内的应变和应力。然而，当单元变形导致内部形状变化，如正方形变为等腰梯形，尽管节点位移不为零，但形函数插值可能导致应变为零，形成零能量模式，这就是所谓的沙漏模式。这种模式在单点积分（中心积分）的处理中尤其可能出现，因为局部应变信息丢失。 为了防止沙漏模式，ABAQUS提供了几种策略。首先，可以通过控制单元边界的相对转动来间接控制沙漏，但这并不能确保完全的完备性。物理沙漏控制（也称为物理稳定性）依赖于材料性能的稳定性参数，如一阶稳定性的假设，但在不可压缩材料中可能不适用，因为它缺乏自锁效应。为了建立物理稳定性，需要假设单元内的旋转恒定且材料响应均匀。 LS-DYNA等其他数值模拟工具也提供多种算法来抑制沙漏，比如默认的算法（类型1）虽然便宜但可能效果不佳，而全积分或选择适当的减缩积分方程（S/R）单元可以完全消除沙漏，但代价可能是更高的计算成本、更大的不稳定性和可能的剪切锁死问题。 三角形壳和四面体单元理论上没有沙漏模式，但由于它们在某些应用中的刚度问题，可能仍存在类似问题。解决沙漏的一个常用方法是细化网格，但这往往受限于实际工程项目的复杂性和计算资源。此外，加载方式也会影响沙漏程度，施加压力载荷相比点载通常更为有效，因为它不易触发沙漏模式。 评估沙漏能量的工具包括在ABAQUS中设置*control_energy卡片的HGEN参数为2，并利用*database_glstat和*database_matsum卡片来观察系统和部件的沙漏能量。理想情况下，非物理沙漏能应远小于每个部件的峰值内能，一般来说，这一比例应小于10%。对于壳单元，可能需要采取额外措施来确保沙漏影响最小。 理解并管理ABAQUS中的沙漏模式是进行有效有限元分析的关键，这涉及到正确设置边界条件、选择合适的积分方法、细化网格和合理加载策略，以及准确评估和控制沙漏能量。