CAE前处理 | 薄壁 实体结构 (2)

导读：上一篇文章引出了问题：薄壁+实体结构建模，并进行了一些基本的探讨，本文主要从壳+实体组合建模方向进行尝试，其中的核心在于如何连接两部位防止结构刚度的突变。

03 壳+实体组合建模  

说明

为了实现“分区治理”，首先得选择截断部位。由于在弯管处以及圆角处均为明显的应力集中，为了避免对这两区域产生较大影响，截断部位选择靠近两者中心位置：

边共节点

要完全传递壳体→实体之间的自由度，最容易想到的就是边线共节点（壳体厚度向内偏置），如图所示：

稍微有过了解的伙伴可能会知道：一般有限元软件中壳体的自由度比实体的多，因此单独边线连接不能传递完全的内力。

从局部来说是这样，但是从整圈来看截面的所有内力依然可以全部传递，所以正常进行分析是可行的。

按照这种处理方式，提取下结构的应力云图：

很明显，虽然正常分析可以进行，但是在局部有比较严重的应力集中，已经到了影响全局应力的程度。

这里分析原因：应力是局部量，虽然整体内力可以传递，但是局部的自由度不协调依旧会对局部的应力分布产生较大影响，当处于高应力区尤为明显。

加载点变形：2.80mm   

弯管处应力：515MPa

问题：过渡处应力集中明显

面共节点（铺面）

既然边线共节点容易出现不真实的应力集中，那么自然想到面共节点是不是就能避免这种现象，如图所示：

对于铺面的方式，有向内铺以及向外铺两种，顾名思义：内铺就是沿着壳厚度方向铺，外铺就是沿着表面铺，然后实现共节点连接。

显然，铺面这种方式过渡柔顺性的核心在于：铺面的范围和材质。显然，除非针对结构特别研究过，要不很难确定这两部分参数。这里暂定范围为壁厚，材质与壳一致，提取结果如下：

貌似过渡的还不错，再仔细看下局部应力分布：

确实，相比于单纯的边共节点，使用铺面的方式得到的应力分布也不会那么让人诧异，但是需要留心的是：根据铺的程度不同，问题的表现也不一样。

内铺/外铺：

加载点变形：2.712mm/2.707mm

弯管处应力：515MPa/515MPa

问题：操作较为繁琐，且需要使用合理的铺面范围和材料

连接单元

上面采用铺面的方法好像不错，但是同时也发现这样处理的问题就是操作太麻烦，需要在实体表面布面，因此想到是否可以使用rbex单元代替连接：

【注：这里考虑使用rbe3单元，是由于这种柔性的连接方式更贴近于自然的过渡，不会像rbe2一样刚度突然增加的过于猛烈。】

这样处理的好处在于不需要壳和实体共节点也不需要多余的处理，它们的牵手由连接单元rbe3完成。对于这种方式提取下应力结果：

目测效果比上面尺寸下的铺面要稍微好一些，至少不会出现过于剧烈的变化。但是依然得注意，应力的跳跃是存在的，只是减缓到比较小。

加载点变形：2.67mm

弯管处应力：515MPa

问题：影响程度受两侧网格尺寸影响

绑定接触

貌似使用连接单元是一种比较好的办法了，操作起来非常方便，但是对于hypermesh来说这么处理完全没问题，有些前处理软件不一定能支持到这么底层，因此想到了绑定接触，这种方式通用性较好：

严格来讲，绑定接触实现的方式和使用rbe3有点类似但是确实在识别和分配上有一定区别，本例中结果基本一致，这里直接提取结果：

加载点变形：2.68mm

弯管处应力：515MPa

问题：相对于rbe3操作复杂，内部机制不便理解和控制

部分总结  

对于壳+实体建模方式大致做出以下总结：

① 首先，引入壳单元之后，不可避免会引入单元误差，实际在本文中已有体现，不管哪种办法都使得位移值接近2.7mm，与真实的2.8mm有误差。

【注：边共节点等于2.8mm，是因为局部不完善的自由度传递削弱了刚度弥补了单元误差，但是这种结果多偏向于巧合】

② 其次，不管哪种方式，其实对于一定距离之外的部位应力影响并不大，所以从某种意义来说，只要结果不要过于惊为天人都有一定的合理性。

③ 最后，作为个人比较推荐的方法的话是rbe3，主要原因非常方便，带来的误差也不是很大。

下面一篇主要从分层实体+常规实体建模的方式进行说明，并对所有方法进行一个简单的总结。

未完待续