在使用Abaqus等有限元分析工具進行仿真分析時，單元類型的選擇是一件讓人撓頭的事情。合適的單元類型用很小的計算機資源就可以得到足夠精確的結果，相反用很密的網格也不一定能夠得到正確的結果。如何破，請您接著往下看。
以很典型的懸臂梁（有解析解）為例，我們可以用梁單元、殼單元、實體單元進行仿真，同時還需選擇完全積分、減縮積分、非協(xié)調模式，還有一階單元、二階單元等等控制類型，我們到底該用哪種積分單元？
懸臂梁
我們使用Abaqus計算上圖中的懸臂梁會發(fā)現，如果關心的是自由端的最大撓度，那么不管是哪種類型的單元，都不需要太多的網格數量即能得到足夠精確的結果（當然，梁單元是最經濟的）。但是，如果要計算的是懸臂梁的應力最大位置，我們會發(fā)現減縮積分單元的誤差很大，必須使用完全積分單元或者非協(xié)調單元，然而完全積分又會有沙漏現象，非協(xié)調單元單元扭曲也不能太大。
與梁單元和殼單元對比，實體單元要得到足夠精確的應力解所需要的時間成幾何倍增長，但是梁單元又不能給出截面上的應力分布情況，也就是應力集中的情況。實在撓頭！遺憾的是，所有的有限元軟件都不能智能的判斷何時用何單元，只能由工程師根據研究對象自己進行判斷。
Abaqus根據分析問題類型不同，為了用最小的代價得到最優(yōu)解，開發(fā)的單元類型達近500種。其實大部分情況下，仿真工程師的面對的對象都比較單一，他們只想知道，我到底要用那種單元？要回答這個問題，我們先必須問自己幾個問題。
第一，分析的是什么物理現象？是強度問題、剛度問題、熱力學問題、熱電問題等等，不同的問題單元的大類不同。第二，材料類型是什么，是小變形還是大變形？是金屬、泡沫、橡膠等等，根據形變大小也有不同的類型。第三，要用的幾何類型是實體、殼還是梁？能不能用軸對稱？可不可以簡化成平面問題？第四，接觸問題要考慮嗎？第五，能夠對結構進行四邊形或六面體網格劃分嗎？當我們回答了以上五個問題，實際上可以選擇的單元類型已經非常少了，只有幾種甚至一種類型可選。
對于行業(yè)的特定對象來說，很多有經驗的研究單位在單元類型的選擇上已經形成了一定的規(guī)范，工程師只用去遵守執(zhí)行。但是還有很多單位仿真工作剛剛起步，單元類型的選擇是一個不斷學習的過程，需要工程師不斷的去測試、研究，最終積累成本單位內部寶貴的知識經驗和財富。
網格劃分是一項繁重的“體力勞動”，占整個仿真工作量的80%以上甚至更多。工程師花費如此多精力劃分網格目的是希望用更小的計算機機時得到更精確的計算結果。一般來說，選擇單元類型有以下幾點需要注意，可以起到事半功倍的效果：
1. 能用梁不用殼，能用殼不用體；
2. 能用平面應力用平面應力，能用平面應變用平面應變；
3. 能用軸對稱不用三維實體；
4. 關心的應力集中處不用減縮積分，線彈性小變形問題沙漏影響小，可以用全積分單元；
5. 二次單元比一次單元精度高，而且剪力自鎖和沙漏很小，但是不適用接觸分析；
6. 只能用四面體劃分的盡量用C3D10M單元。
在實際工程中，不同行業(yè)和不同研究對象可能遇到各種各樣的具體問題，需要工程師不斷的去學習積累。慶幸的是，Abaqus在國內外已經形成了龐大的應用生態(tài)，市面上有很多中英文參考書可供大家參考，達索也向Abaqus的用戶提供了專業(yè)的單元類型選擇高級培訓。通過這類學習，可以使大家少走彎路，把精力聚焦在我們所研究的問題本身，而不是單元等操作方法上面。
以上是我們針對有限元仿真時網格單元類型一般需要遵守的基本原則，在實際中還會碰到各種各樣的具體問題，在此不再贅述，如有問題歡迎大家留言咨詢和交流，咨詢熱線400-900-7701。
本文作者：趙翔 博士 安托CAE仿真技術顧問
西北工業(yè)大學工程力學系副教授，15年Abaqus使用經驗，獲達索Abaqus UFEA技術專家證書，長期從事有限元技術支持及結構分析工作，擅長結構強度及疲勞強度分析，承擔多種飛機型號的全機靜力及疲勞強度分析任務，擁有土木工程領域CAE項目經驗。負責參與相關課題項目10余項，在國家核心刊物以上期刊發(fā)表相關學術論文20余篇，具有扎實的力學理論基礎與豐富的工程經驗。在航空航天、船舶、電子及土木工程等領域為多家科研院所提供CAE咨詢項目服務及仿真解決方案，做為講師多次完成Abaqus基礎、接觸、動力學、收斂等高級專題培訓。