剑桥大学工程系《ABAQUS常见问题解答》翻译连载（3）：单元
注：本文为系列翻译文章第3篇，如有不当之处，欢迎交流指正！尤其是复核材料部分确实不熟悉，请各位审核留言提意见。
Chapter-3：Elements
对于壳单元，法向正方向遵循右手定则。手指弯曲方向为单元节点按顺序编号，大拇指方向为法向，如图所示。节点顺序编号可以根据下面的关键字命令行来获得：
*ELEMENT, TYPE=S4R530, 101, 102, 202, 201
如果采用ABAQUS/CAE则直接通过单击Tools-->Query...选项，在窗口中选择Shell/Membrane Normal（Shell element normal，abaqus6.14版本），然后选中对应元素完成。
Colour coding : Brown - Positive Magenta - NegativeShell/Membrane faces are colored by normal：Brown=positive，Purple=negative（abaqus6.14版本）
2D平面单元（如CPE4、CPE8——用于平面应变分析，CP4、CPS8——用于平面应力分析）仅适用于平面内受到载荷作用的情况，这些单元仅有平面内的自由ux、uy，这就意味着在Z方向没有变化。壳单元则可以适用于受到平面外部载荷作用的工况，这种情况下平面应力或者应变分析类型的单元则不适用。
可以直接查阅帮助文档中的Beam elements章节中的Beam element cross-section orientation获取相关内容。
当然有很多种方法定义n1方向，如对于一个矩形截面的梁单元，n1方向和宽度方向平行。
如果梁全部处于X-Y平面内，则n1方向默认为-Z方向。下面是其它一些定义n1方向的方法：
1）在定义单元的数据行中指定附加的节点，假设为第三个点，那么从节点1指向节点3的方向称为v，作为n1的近似方向。abaqus则基于txv定义n2方向，有了n2就可以定义n1（根据n2xt）。总结一下：只要v处在t和n1相同的平面内，则矢量方向就不会出错。
注：t方向定义为单元的一个节点指向下一个节点。
2）单元截面指定近似的n1方向，与上述方法一样，abaqus将会首先确定n2方向然后在计算n1方向。
如果既定义了附加节点又指定了近似的n1方向，则abaqus优先采用附加节点。这里有两个方法可以覆盖前文提到的由t和近似n1定义的n2方向：
给出n2的矢量分量作为节点坐标的第4、第5和第6个数据（inp文件中的*NODE关键字块下）；
使用关键字*NORMAL直接指定。
如果上述两者包含，则优先采用关键字*NORMAL。当有了n2方向，局部梁单元的切线t将由n1xn2重新定义。
完成分析之后可以利用下面的命令来可视化t\n1\n2方向：
*SET,FILL=ON*VIEW,VIEW=(X1,Y1,Z1),UP=(X2,Y2,Z2)Example:*VIEW,VIEW=(1,1.5,2),UP=(0,1,0)*DRAW,NORMAL使用壳单元分析时，我们应该心里清楚应力是与每个单元的局部坐标相对于整体坐标方向决定的。
每一层的局部坐标系采用关键字*ORIENTATION指定，Z方向垂直于矩形板。3层铺层方向都相对于垂向旋转来指定，如下图所示：
铺层方向为-30°的情形如图所示（基于法向的逆时针为正）
首先定义圆柱坐标系。如图所示定义了全局坐标系，Z'与全局坐标系的X方向一致，关键字命令如下：
*ORIENTATION, SYSTEM=CYLINDRICAL, NAME=CYLIND < xa >, < ya > , < za > , < xb >, < yb > , < zb > < normal-axis > , < rotation angle >则有
*ORIENTATION, SYSTEM=CYLINDRICAL, NAME=CYLIND 0, 0, 0, 1, 0, 0 1, 0第二行表明3个轴与圆柱表明垂直。第一个数为轴1也就是X'，第二个数是相对于法向轴转动的角度，如果需要对材料的方向进行重新定义，任何转动都是按照顺时针进行的。
不作任何旋转，另外两个轴（Y'和Z'）建立了局部方向。Y'和Z'各自是材料1和材料2的方向。如图所示，蓝色为材料1的方向，蓝绿色为材料2的方向。
假设复合材料在圆柱方向有三个铺层组成，方向分别为+10°,0°,-10°，可以采用下面的命令指定：
***ORIENT***SHELL SECTION, ELSET=CYLIND, COMPOSITE, ORIENTATION=ORI0.05, ,WOVEN, 100.05, , PLYTRON, 00.05, ,PLYTRON, 0
*ORIENTATION, SYSTEM=CYLINDRICAL, NAME=ORI0,0,0,0,0,11,0*****SHELL SECTION, ELSET=CYLIND, COMPOSITE, ORIENTATION=ORI0.05, ,WOVEN, -450.05, , PLYTRON, 900.05, ,PLYTRON, 0再看一个例子，假设0°的铺层圆柱轴向重合，另外两个铺层方向为30°分布在轴向两侧。这种情况下最好使材料1的方向和轴向一致，可以通过相对法向额外旋转90°实现。
***ORIENTATION, SYSTEM=CYLINDRICAL, NAME=ORI0,0,0,0,0,11,90*****SHELL SECTION, ELSET=CYLIND, COMPOSITE, ORIENTATION=ORI0.05, ,WOVEN, 300.05, , PLYTRON, 00.05, ,PLYTRON, -30
可以按照下面的命令创建弹簧单元：
*Element, type=Spring2, elset=Springs/Dashpots-1-spring1, Bay1GroundFloor.5, Part-2-1.12, Bay1GroundFloor.7, Part-2-1.43, Bay1GroundFloor.8, Part-2-1.64, Bay1GroundFloor.3, Part-2-1.2设置弹簧刚度：
*Spring, elset=Springs/Dashpots-1-spring2, 2**** spring stiffness**7.8E+06,
通过新增关键字nonlinear可以实现弹簧从压缩到拉伸的变刚度定义：
*Spring, elset=Springs/Dashpots-1-spring, nonlinear2, 2**** Force1, Rel. Displacement-1** Force2, Rel. Displacemnet-2**10.E8, -0.110.E6, -0.001 0, 07.8E+06, 1.0在Mesh模块单击Element Type，在弹出的窗口中可以选择单元的阶次（线性或者二次）。 当使用二阶二维单元和六面体单元，如果采用低阶单元则选择Incompatible Mode。
后台窗口回复关键字“单元章节”获取英文原文PDF文件！
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