​LiToSim壳与膜单元在CAE仿真中的应用

使用背景：

壳体结构被广泛应用于工程实际中，例如航空航天工程中的飞机、火箭，机械、石化、电力等部门的各类容器，以及航海和海洋工程的船舰、潜艇，土木、水利工程中的穹顶、拱坝等。其特点是结构一个方向的尺度（厚度）远小于其它方向的尺度，且变形以弯曲为主，此时可以采用壳单元模拟该结构。壳单元可以承受面内拉伸应力和弯曲应力，采用板壳单元模拟这种结构可以大大节省计算时间，并且增加求解精度。

如果结构构件某一方向的尺寸与其它两个方向相比非常小，小到无法承受横向载荷，此时构件相当于一个只能承受面内拉伸（或张力）载荷的薄膜。对空间薄膜构件进行离散化的单元，称为空间膜单元。膜单元经常被用来表示固体结构中的薄加筋构件，它可以在单元平面上提供强度，而没有弯曲刚度，也可以模拟织物、鼓面和客车蒙皮等构件。

LiToSim是一款完全国产自主可控，具有国际先进水平的通用有限元软件。LiToSim包含丰富的单元类型，包括壳单元、膜单元，经过案例对标验证，LiToSim壳单元和膜单元的模拟结果与主流商用软件计算结果相当。

01

曲面壳受压力载荷作用

曲面壳表面受压力载荷作用，两端固定，采用三角形壳单元模拟，如图1所示。

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图1. 曲面壳受压力载荷作用模型示意

LiToSim求解算例1的步骤如下：

【步骤一】创建新工程项目并导入网格

首先启动LiToSim，点击菜单栏文件→新项目，弹出新工程项目对话框，如图2所示。在弹出的对话框中选择分析类型：固体力学→静态，点击OK，并命名新工程即可完成新工程创建，如图3所示。

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图2. 创建新工程项目

图3. 新建工程项目

在左侧模型树网格模块处单击鼠标右键，选择导入，将网格文件（S3_L_iso_cy.msh）导入工程中，如图4所示。

图4. 导入网格文件

【步骤二】赋予单元类型

在模型画布中单击鼠标右键，选择拾取单元→单元，在弹出的对话框中指定选择模式→方框，在模型画布中框选全部单元，如图5所示。

图5. 选择单元示意图

然后，在左侧模型树单元处单击鼠标右键，选择单元类型，在弹出的单元类型编辑对话框中，选择单元类型为Plane3D，并设置壳单元厚度以及厚度方向积分点个数，参数设置如图6所示，点击确定。

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图6. 设置单元类型相关参数

【步骤三】设置材料模型

左侧模型树材料模块处单击鼠标右键，选择指定材料，在弹出的材料库对话框中编辑材料参数如图7所示，点击设置，然后点击确定。

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图7. 设置材料参数

【步骤四】设置模型边界条件

选择需要施加约束的节点，如图8所示，并在左侧模型树边界模块处单击鼠标右键，选择位移，在弹出的对话框中设置边界条件，点击确定，如图9所示。

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图8. 选择节点

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图9. 设置边界条件

【步骤五】设置载荷条件

选中整个模型区域，在左侧模型树载荷模块处单击鼠标右键，选择压力，设置压力载荷，如图10所示。

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图10. 设置载荷条件

【步骤六】设置求解控制参数

在求解模块单击鼠标右键，进行求解参数设定，设置相关参数如图11所示。设置好后，在左侧模型树Setup1处单击鼠标右键选择求解，提交求解器进行计算。

图11. 设置求解参数

【步骤七】查看求解结果

鼠标右键点击结果→创建云图，弹出对话框如图12所示，然后确定，即可查看云图，UX结果云图如图13所示；同时，鼠标右键点击UX→创建动画，即可查看变形动画，如图14所示。

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图12. 创建云图对话框

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图13. UX结果云图

图14. UX结果动画

02

曲面壳受到集中力作用产生大位移

在算例1的基础上，修改载荷条件为加载集中力，同时修改求解类型为大变形，载荷、求解具体设置如下图15-图16所示。计算结果与ABAQUS的对比如图17所示。

图15. 设置载荷条件

图16. 设置求解参数

(a) LiToSim

(b) ABAQUS

图17. LiToSim与ABAQUS结果对比

03

Z字形壳产生大转动

Z字形壳一端固定，另一端施加集中力载荷，如图18所示。计算结果与ABAQUS的对比如图19所示。

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图18. 模型示意

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(a) LiToSim

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(b) ABAQUS

(a) LiToSim

(b) ABAQUS

图19. LiToSim与ABAQUS结果对比

04

膜单元在实体单元表面增大实体单元的刚度

在实体单元的外表面加上膜单元，一端固定，另一端施加集中力载荷，如图20所示。未加膜单元时LiToSim与ABAQUS计算结果对比如图21所示，加上膜单元后LiToSim与ABAQUS计算结果对比如图22所示。

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(a) 未加膜单元

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(b) 加膜单元

图20. 模型示意

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(a) LiToSim

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(b) ABAQUS

图21. 未加膜单元时的结果对比

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(a) LiToSim

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(b) ABAQUS

图22. 加膜单元时的结果对比

膜单元与壳单元的区别文档下载对比图21和图22的结果可以看出，在实体单元表面附加一层膜单元，最大的等效应力降低，说明膜单元可以一定程度上提高实体单元的刚度。

通过以上案例求解结果可以看出，LiToSim求解壳单元与膜单元案例的结果与主流商用软件计算结果相当，可应用于实际工程的壳与膜结构的仿真。