一文了解：ABAQUS单元选择助力汽车插接器行业搭建天梯

汽车连接器是电子工程技术人员经常会接触到的一种部件，在行业内也被人叫做护套、接插件或者塑壳。它起到了在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间，架起沟通的桥梁，从而使电流流通，使电路实现预定的功能。汽车连接器一般由接触件、绝缘体、外壳或附件四个部分组合而成。汽车连接器在汽车运作中起到关键的作用。

汽车连接器

有限单元分析（FEA），也叫做有限单元法（FEM），是一种求解场问题数值解的方法。ABAQUS是目前相对较好的一款仿真软件。在其MESH模块中，单元的选择对于模拟分析汽车插接器行业的ABAQUS软件来说非常重要。下面我将带大家去了解关于ABAQUS分析软件在汽车插接器行业模拟分析时单元的选择。

（1）为什么要对ABAQUS进行单元划分

ABAQUS虽然作为一个结构分析软件，但其本身同样具有绘图的功能。它会根据你电脑配置的优劣去定义其内部精度和速度，不同的求算方法所得到的精度可能也会有所差异。

我们可以确定的是，在使用ABAQUS进行MESH网格划分时，当单元的划分越细，曲面区域的单元过渡就越好，从而模型接近实物，所得结果就越准确。

汽车连接器

（2）ABAQUS在进行单元划分时单元选择的重要性

在我们进行分析时，一般会采用二维线框或者三维建模的方式来研究不同的问题，同时会根据需要选择立体单元或平面单元。在实践中，我们常用完全积分单元和减缩积分单元。相对而言，完全积分单元的形状比较规则，需要使用更多的高斯积分点，但这样可以使得单元刚度矩阵中的多项式被精确地积分。

需要注意的一点是：当结构受到弯曲载荷时，线性完全积分单元会遇到剪切自锁的问题，导致单元过于刚硬。即使分割网格很细，单元扩展仍然会影响计算精度。

当考虑纯弯曲结构中的局部材料时，采用微分学的方法。如下图1所示，当受到弯矩M的作用时，材料会发生弯曲。在变形前，材料在水平轴上的直线变成了常曲率曲线，而在厚度方向上的直线则保持了直线的形状。垂直于单元轴线的平面内不存在剪力。在这种情况下，应避免使用线性完全积分单元（包括二维和三维问题），如图2所示。

其实还有其他类型的单元选择，本文只是其中的一些。单元选择在很大程度上影响到分析结果，所以在进行选择的时候一定要根据自己的分析类型提前确定选择合适的单元。大的模型分析有时候需要花费几天的求算时间，如果在开始的时候选错了单元，这将是很麻烦的。

有限元分析

在研究汽车插接器的应力集中问题时，最好采用二次完全积分单元进行模拟。由于单元集中区域容易发生较大的变形，使用一次完全积分单元时，变形呈线性变化，对变形的模拟效果不理想。而使用二次完全积分单元时，单元的变形呈现曲率变化，非常适合模拟集中区域的变形，同时具有一定的柔性，通常不会出现剪切自锁的问题。

然而，对于接触分析而言，二次完全积分单元并不适用。这主要是因为积分点的数量过多，导致内部计算异常繁琐，同时很有可能产生不收敛的结果。在弹塑性分析中，若所使用的材料为不可压缩材料（例如金属材料），则很容易出现体积自锁（volumetriclocking）的现象。此外，当单元出现扭曲或弯曲应力梯度的情况时（可能是第三方向上的变形），就会引发某种程度的自锁问题，即使分析结果已产生，其精度也可能不尽如人意。

减缩积分单元比标准积分单元少了一个积分点，可在每个方向上实现积分。线性减缩积分单元仅在单元中心进行积分，从而减少了内部算法和计算机分析时间。然而，因为可能存在“沙漏”效应，所以单元可能过于柔软，挠曲现象不正常(如图3所示)。从微积分角度来看，图中单元内虚线的长度和夹角均未改变，这说明单个积分点上所有的应力都为零。由于单元变形没有应变能，所以这种弯曲效应是零能量效应。

有限元分析

由于此效应下单元没有刚度，因此无法对抵抗这种形式的变形起到作用。在分析过程中，若采用较粗的网格划分，则会扩大此类零能量效应，导致不期望的结果。为此，ABAQUS在线性缩减积分单元中引入了“沙漏刚度”，用以限制沙漏模式的扩展。但即便如此，仍需使用细网格。若要使用线性缩减积分单元模拟承受弯曲载荷的结构，就需要在厚度方向上至少划分四个单元，这可以在一定程度上确保分析的准确性。

若想以节点应力在应力集中部位作为分析指标，则不应采用此类单元。因为线性减缩积分单元只在单元中心具有一个积分点，因此类单元有点类似于常应力单元。虽然在积分点上的应力结果相对精确，但经过外插值和平均后得到的节点应力却不够精确。

ABAQUS建议查看单元积分点上的应力，但是单元积分点上的应力值往往不是应力集中区域的最大值。因此，在应力变化剧烈的区域需要使用足够细的网格来划分。相对于线性减缩积分单元，二次减缩积分单元不仅保留了线性减缩积分单元的优点，而且即使不使用非常细的网格，也不会出现沙漏问题，并且在复杂应力状态下不会对自锁问题产生敏感。在接触分析和大变形问题中都非常适用。

除了上述提到的单元选择外，还有其他类型的单元可供选择。单元选择是影响分析结果的重要因素，因此在进行分析选择之前，必须明确自己的分析类型和需求，并提前确定适合的单元。如果在开始之前选择了错误的单元，则可能会在后续操作中遇到问题。