设置Abaqus实体单元与壳单元接触关系的技巧
设置Abaqus实体单元与壳单元接触关系的技巧
在使用Abaqus进行工程仿真分析时，正确设置实体单元与壳单元的接触关系是确保计算结果准确性的关键。本文通过对比分析Tie绑定和Shell-to-solid coupling两种接触关系的适用场景，结合具体案例和计算结果，为读者提供了一套实用的设置技巧。
问题简介
当查阅实体单元和壳单元接触怎么设置时，有的资料显示用Tie绑定，有的资料显示用Shell-to-solid coupling，莫衷一是，因此自己决定搞清楚这两种不同的约束条件到底适用什么样的情况，这两种接触如图1所示。
图1 Constraint中Tie和Shell-to-solid coupling
这里先放上结论：Tie绑定适合壳单元中大尺寸与实体单元的接触情况；Shell-to-solid coupling适用于壳单元中厚度方面的面（选择中其实是壳单元的边）与实体单元的接触问题。具体分析如下：
接触关系-Tie绑定
这种接触关系适用于壳单元的大面。例如，三维壳单元外观显示上是厚度很小的一个薄片，那这个大面就是我们看到的薄片的面。如下图所示，我将薄片划分了两部分，大面薄片方向，如图2红色所示。而壳单元的小面显示时就类似于一条边，因为壳单元是有厚度的，该厚度方向为壳单元的法向，因此实际中壳单元的边是一个宽度为厚度大小的小面，如图3所示。
图2 壳部件的大面
图3 壳部件的小面
设置案例对该种接触进行检验，具体工况如图4所示，左端全约束，然后壳单元的一般与实体单元Tie接触，另一端悬空加荷载。计算结果如图5所示，实体单元应力结果如图6所示。通过观察我们发现分析的结果还是比较符合预期的。
图4 计算案例
图5 整体计算结果
图6 实体单元应力结果
而当我尝试将接触关系改为Shell-to-solid coupling时，弹出错误提示，说该接触只能用在壳单元的边上，无法进行设置。因此，当大面与实体单元接触时，应该选用Tie绑定而非Shell-to-solid coupling。
接触关系-Shell-to-solid coupling
这种接触关系适用于壳单元的小面。而壳单元的小面显示时就类似于一条边，因为壳单元是有厚度的，该厚度方向为壳单元的法向，因此实际中壳单元的边是一个宽度为厚度大小的小面，如图3所示。关于Shell-to-solid coupling这种接触关系帮助文件给出的例子如图7、8所示，仔细观察我们就会发现这些例子都会有一个共同的特点，即都是由壳单元的边（而非壳单元的大面）与实体单元建立的接触关系。
图7
图8
根据上述假设做了如下计算案例，两个实体单元，两个壳单元，壳与实体均建立接触关系，本案例中共4个Shell-to-solid coupling接触关系。案例中最底面全约束，上部实体单元受到X方向的均布荷载。计算结果如图10所示，实体单元应力结果如图11所示。计算结果符合预期，建模过程可行。
图9 案例2
图10
图11
而在案例2中将接触关系设置为Tie时，将会报错，不收敛，查看原因是在X方向出现了无穷大的位移，因此得出结论在壳单元的小面不可用Tie接触。
结论
Tie绑定适合壳单元中大尺寸与实体单元的接触情况；Shell-to-solid coupling适用于壳单元中厚度方面的面（选择中其实是壳单元的边）与实体单元的接触问题。