Abaqus怎么建立壳单元模型 Abaqus壳单元法向方向该怎么检查

在分析薄壁板件、钣金支架和壳体结构时，直接用实体单元来做有限元计算，很容易让网格数量变得非常庞大；这种时候，就需要了解Abaqus里面怎么建立壳单元模型，以及壳单元的法向方向该怎么去检查。这里头最关键的一点，就是先把中面、厚度和截面的设置搞清楚，然后再去确认壳单元的正反两面是否统一。壳单元的法向不仅决定了哪面是正面、哪面是反面，还会直接影响到接触面的选取和截面结果的解读，所以需要仔细核对。

一、Abaqus怎么建立壳单元模型

建立壳单元模型，并不是只画出一张面就够了；当几何形状建好之后，还得把材料属性、截面属性、厚度值、网格划分以及边界条件一项一项地补全。

1、创建壳体几何

操作者可以先进入Part模块，点击Create Part，把类型选为Deformable，形状则根据具体的结构形式选择Shell。对于形状比较简单的板件，直接拉伸它的轮廓就能得到壳面；如果是从现成的实体模型简化过来，通常需要先提取出中面，再用这个壳面去替换原本的薄壁实体。按照Abaqus的中面建模流程，新生成的壳面还必须补上厚度，并且在Property模块里把截面分配妥当。

2、建立材料和壳截面

接下来要进入Property模块，点击Create Material，在弹出的界面中填写好弹性模量、泊松比等材料参数；然后再点击Create Section，将类型选成壳截面。壳单元的厚度一定要填进去，不能仅仅在草图里画好一张面就直接拿去计算，那样软件是不知道板的实际厚度的。

3、把截面分配给壳面

通过菜单里的Assign→Section，先选中所有需要进行计算的壳面，再指定给刚刚创建好的壳截面，这一步操作就把厚度和材料关联起来了。如果同一个结构里包含了不同的板厚，那就需要分别建立多个壳截面，然后按照区域分开进行分配。假如中面是从实体几何上抽取得到的，还要额外检查一下厚度数值和偏置的位置，看它们是不是和真实零件的设计保持一致。

4、划分网格并选择单元

一切准备完成后，切换到Mesh模块，先布置好网格种子并调整种子尺寸，再对壳面执行划分网格的操作。常见的四边形壳单元可以按照分析场景选择S4R，而在局部几何比较复杂的位置，也可以配合使用三角形壳单元来进行过渡。官方文档里也说明过，S4R属于一种四节点四边形减缩积分壳单元，能够适应很多常规的分析场合。

二、Abaqus壳单元法向方向该怎么检查

壳单元在几何上只是一张参考面，软件必须要靠法向来分辨它的两侧；接触定义、压力加载、复合材料铺层以及截面点上的结果，全都和壳单元的朝向有关系，所以网格划分完成之后，最好单独做一次方向检查。

1、使用Query工具查看

操作者可以进入Mesh模块或者装配视图，点击Tools→Query，然后在弹出的窗口里选择Shell element normals。这时Abaqus会用带阴影的颜色把壳面的方向标示出来，其中法向一致的顶面会显示为棕色，而反面则会显示成紫色，靠颜色就能快速看出方向分布。

2、检查相邻区域是否一致

通常情况下，平板区域、圆筒区域和连续的壳体都应该保持统一的朝向；要是在同一片壳面中间，颜色突然发生了跳变，那就说明局部的法向很可能已经反掉了。尤其是在多个面拼接在一起、导入的外部几何、经过镜像复制的部件，还有孤立网格模型当中，方向不一致的问题会更容易出现。

3、用Assign Element Normal调整

对于那些基于几何的壳面，可以进入Property模块，点击Assign→Element Normal，再把需要翻转方向的区域逐一选出来。选中目标区域之后，软件会把正反面的颜色显示出来，操作者直接确认就可以完成方向反转。根据官方文档的介绍，这个操作不光对内置几何有效，对导入的零件和部分孤立网格也同样能够起作用。

4、用Mesh Edit修正网格法向

要是碰到孤立网格或者局部壳单元方向比较混乱的情况，就需要进入Mesh模块，点击Mesh→Edit，接着在Category中选择Element，在Method里选Flip Normal。此时既可以通过Flip all把所有选中单元统一翻转，也可以使用Select normal来指定一个参考单元，让周围选中区域的法向自动调整为与它一致的方向。

三、Abaqus壳单元模型还要核对哪些设置

把法向修正完毕之后，并不代表整个模型就没有问题了；载荷定义、接触设置还有结果输出这些环节，同样需要再核对一遍，因为仅仅把颜色改成一致，并不能保证所有条件都已经正确。

1、核对压力和接触面

壳单元的正面一般情况下对应的是SPOS，反面则对应着SNEG；在施加压力载荷或者定义接触关系的时候，需要确认操作者选中的面，是不是和零件真实受力的方向相互吻合，否则计算结果就会和预期相反。

2、核对厚度和偏置

打开壳厚的显示效果，检查一下板件的厚度数值是否正确，同时看偏置的位置是不是让中面落在了合理的地方。如果不同板件连接的部位存在明显的错层，那就得回到截面分配的设置里，把偏置参数重新调整一下，让它们在几何上对接顺畅。

3、核对复合材料铺层方向

当分析的对象是复合材料壳模型时，除了上面提到的内容，还得检查材料方向、铺层叠放顺序以及法向之间的关系；因为一旦壳单元法向发生了反转，铺层的上下顺序也会跟着颠倒过来，这个时候就不能只靠网格外观来判断模型是否正确了。

总结

关于Abaqus怎么建立壳单元模型，以及壳单元法向方向该怎么检查，处理的顺序大致可以概括成：先把壳面建出来，然后依次分配好材料和厚度，接着对壳面进行网格划分，最后利用Tools→Query来检查法向。当发现局部区域的方向不一致时，再通过Assign→Element Normal，或者Mesh→Edit里的Flip Normal功能去逐步修正。只要壳面的方向、截面的厚度还有载荷的施加面都能对应得上，后续对分析结果的解读就不容易跑偏了。