壳单元

Shell63单元描述名称：SHELL63_弹性壳单元有效产品：MP ME ST PR PP EDSHELL63单元说明SHELL63既具有弯曲能力和又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。

本单元每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。

应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。

在大变形分析（有限转动）中可以采用不变的切向刚度矩阵。

其详细的特性请参考Section 14.63 of the ANSYS Theory Reference。

近似的单元有SHELL43，SHELL181(塑性能力)，SHELL93（包含中间节点）ETCHG命令可以将SHELL57和SHELL157单元转换为SHELL63单元。

图1 shell63几何描述SHELL63数据输入单元SHELL63的几何形状、节点位置及坐标系如图1所示，单元定义需要四个节点、四个厚度、一个弹性地基刚度和正交各向异性的材料。

正交各向异性的材料参数的方向依据单元坐标系，单元坐标系方向见Coordinate Systems章节。

单元的X轴可以转动一个角度THETA（度数）。

在单元的面内，其节点厚度为输入的四个厚度，单元的厚度假定为均匀变化。

如果单元厚度不变，只需输入TK(I)即可；如果厚度是变化的，则四个节点的厚度均需输入。

弹性地基刚度(EFS)定义：在地基法线方向产生一个单位位移所需要的压力。

如果EFS 小于或者等于0，则弹性地基的效应将被忽略。

对于一些非均匀或者夹心壳的情况，本单元提供了以下实常数：RMI是由壳体本身的抗弯刚度与按照输入厚度计算得出的抗弯刚度的比值，RMI默认为1.0。

CTOP和 CBOT是从中面到上下两面纤维的距离以用来计算应力。

CTOP和 CBOT均为正数，假定中面位于用来计算应力的上下两面纤维的中间，如果没有输入CTOP和 CBOT，应力根据输入的厚度进行计算。

ADMSUA为单位面积上的附加质量。

1.1 关于板壳单元板壳结构在工程上应用十分广泛。

例如，航天航空工程中的飞机、火箭、宇宙飞船，石油化工业的罐体容器，工程机械起重设备的箱体、臂架结构等。

在设计分析中采用板壳单元进行结构分析，可以得到足够的精度和良好的效果。

1.1.1 板壳结构板壳结构是指板的厚度t 与其它两个方向的尺寸相比小得多。

与平面问题的平板不同，板壳结构的板可以是平板也可以是单曲面或双曲面板，同时可以承受任意方向上的载荷，也就是既有作用在平面内的载荷，又作用有垂直于平面的载荷。

一般板壳结构处于三维应力状态。

结构是否为板壳问题，需要确定厚度与其它方位尺寸的比值，若1/80≤t ≤1/10可以归结为板（薄壳）问题，若介于1/10 ~ 1/5之间属于厚壳问题，若大于1/5则不属于板壳结构问题。

板壳单元的力学模型取为结构单元的中性面，即以各中性面来代表为不同厚度的板或壳单元的组合体，以此来模拟结构体。

在工程有限单元法软件设计中，常常将板壳结构划分成膜、板以及壳单元。

其物理特性如下。

膜单元，属于平面应力单元。

仅仅能够承受作用于平面内的载荷，不能够承受其它载荷。

假设z 方向上的位移w =0，每一结点仅存在沿x 轴和y 轴的位移[]T v u 。

膜单元的应力状态如图1-7c 所示。

板弯曲单元，仅仅承受弯曲载荷，其受力状态见图1-20a ，图中阴影部分为中性面。

此类单元只有沿坐标Z 方向的位移[]T y x w ϑϑ，见图1-20b 。

壳单元，即可以承受作用于平面内的载荷，又可以承受弯曲载荷，可以看成是膜单元和板弯曲单元的组合，每一结点的位移为[]T y x w v u ϑϑ，其力学特征见图1-21。

其中：x M 、y M 为弯曲力矩，xy M 、yx M 为扭曲力矩，x Q 、y Q 为侧向力，x N 、y N 为轴向力，xy N为剪力。

值得注意的是在分析壳单元的计算结果时，其计算结果对于该单元的顶面，中性面或底面是不同的。

如图1-21所示，t x ,σ 、m x ,σ、b x ,σ分别为板壳结构的顶面、中性面及底面应力。

ABAQUSEXPLICIT 分析中接触厚度减薄（thickness reduction）解决办法壳单元厚度&接触厚度1)壳单元厚度由其截⾯属性确定；2)在Abaqus/Explicit中应⽤General Contact，由壳单元组成的Surface，其接触厚度并不⼀定等于单元厚度。

a)Abaqus/Explicit中的General Contact算法要求接触厚度与单元边长或对⾓线长度的⽐值⼩于⼀定⽐例，该⽐例系数在20%～60%之间，具体取值由单元⼏何形状决定；b)因此，当壳单元尺⼨较⼤时，接触厚度等于单元厚度；当壳单元尺⼨较⼩时，接触厚度将⾃动减⼩；c)若接触厚度⾃动减⼩，可在计算中⽣产的sta⽂件开头部分看到如下Warning，其中包含有接触厚度减⼩⽐例。

3)接触厚度可采⽤*SURFACE PROPERTY ASSIGNMENT, PROPERTY=THICKNESS进⾏设置。

但是，Abaqus/Explicit仍将对General Contact中的接触厚度进⾏检测，若单元尺⼨过⼩，接触厚度仍将被⾃动减⼩。

************************解决办法禁⽌ Abaqus/Explicit 对General Contact 中的接触⾯进⾏接触厚度检查。

若要取消对Surf1 进⾏接触厚度检查，具体⽅法如下：1)在General Contact中取消Surf1的Self Contact，如下图所⽰：2)在Keywords的Model或Step定义中加⼊：*CONTACT CONTROLS ASSIGNMENT,CONTACT THICKNESS REDUCTION=SELF 边缘的接触厚度仍将⾃动检查/减⼩或*CONTACT CONTROLS ASSIGNMENT,CONTACT THICKNESS REDUCTION=NOPERIMSELF 禁⽤边缘的接触厚度检查（⽂章来⾃SIMWE）。

对比结果可‎ 以发现： 1、在壳单元相‎ 同位置的 T‎ op，Botto‎ m 和 Mid‎ dle 三个‎应力结果无‎ 差异。 2、在实体的路‎径一处膜应‎ 力为 33，一次加二次‎ 也为 33，在壳单元相‎ 同位置的 T‎ op，
Botto‎ m 和 Mid‎ dle 三个‎ 应力为 30‎ ，大致相等。但在路径 2‎ 膜应力为 5‎ 6，一次加二次‎ 应力为 64‎ ，而用壳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ元‎ 均为 56，无变化。
如下 1mm‎ *30mm*100mm‎ 的板，先用实体模‎型进行建模‎ ： 网格划分： 约束为一端‎固定，再另外一自‎由端加垂直‎ 面的荷载 1‎ KN：
当量应力结‎ 果： 应力线性化‎ 结果 1：
应力线性化‎ 结果 2： 再对其抽取‎中面做成壳‎ ：
网格划分： Top 应力‎ 结果：
Middl‎ e 结果： Botto‎ m 结果: