壳单元与实体单元的区别与讨论
殼元素與實體元素混用討論
May 7th, 2010
Kerry Huang Senior Engineer
前言
殼元素與實體元素的連接可使用Shell to solid拘束來達成。於先前研究文件” Shell to Solid設定”已討論此種拘束的應用時機和設定方式。然而在實際應用上 發現對於特定問題存在著某些限制 本文將針對此種拘束進行數種測試與討論，以供CAE工程師於往後中使用 使用軟體: ABAQUS 6.9.1
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分析模型I 分析模型I
一PCB板，板上有一晶片，試討論不同建模方法對於分析結果的影響
70mm 17.29mm
35mm
C3D8I 14.82mm 1mm 1mm 建模法1: 建模法 直接使用實體元素
C3D8I
S4R
建模法2: 部分PCB以 建模法 部分 以 殼元素建模， 殼元素建模，部分使 用實體元素
測試條件: 固定4個螺孔，給予晶片上一梯形分布的壓力
分布函數: 分布函數 0.5X+15
壓力強度: 壓力強度 1MPa Fixed Created by konadoul
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分析模型I 分析模型I
依照網格密度和建模法的不同，分析模型可分成五種
– – – – – Case1: 建模法1 Case2: 建模法2，使用共用節點連接 Case3: 建模法2，以Shell to solid連接，交接處殼元素網格大小等於實體元素 Case4: 建模法2，以Shell to solid連接交接處殼元素網格比實體元素大 Case5: 建模法2，以Shell to solid連接交接處殼元素網格比實體元素小
Case1
Case3
Case5
Case2
Case4
以Case1的結果做為基準進行比較
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分析結果I 分析結果I
位移
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
五種模型的結果幾乎相同
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分析結果I 分析結果I
Von-Mise
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
除了Case2之外，其餘模型的結果幾乎相同 之外，其餘模型的結果幾乎相同 除了 之外
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分析模型II 分析模型II
網格模型同分析模型I 測試條件為固定PCB四個螺孔，給予200G的半正弦衝擊波，作用時間2ms
衝擊強度: 衝擊強度 200G
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分析結果II 分析結果II
位移 (2ms)
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
Case2的結果位移的分布已完全不同，而Case5的最大位移值差異很大 的結果位移的分布已完全不同， 的結果位移的分布已完全不同 的最大位移值差異很大
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分析結果II 分析結果II
Von-Mise
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
Case2和Case5的結果差異很大，整個模型的結果產生很大的錯誤 和 的結果差異很大， 的結果差異很大
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小結
由分析模型I和分析模型II的結果可得知，殼元素和實體元素的混用，應使用 Shell to solid將兩者連接，直接使用共用節點連接會有問題。推測是實體元素上 下表面的節點未參予拘束所造成 從分結果可知殼元素的網格大小需大於實體元素的網格大小，否則於動態問題 中可能會出現錯誤的結果
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分析模型III 分析模型III
一PCB板，試討論不同建模方法對於分析結果的影響
70mm C3D8I
35mm
C3D8I 建模法1: 建模法 直接使用共點
S4R 建模法2: 部分PCB以殼元素建模，部分 以殼元素建模， 建模法 部分 以殼元素建模 PCB以實體元素建模，實體元素的 以實體元素建模， 以實體元素建模 實體元素的PCB 分成2部分 部分， 分成 部分，以Tie拘束連接 拘束連接
測試條件: 固定3個螺孔，給予中間一梯形分布的壓力
分布函數: 分布函數 0.5X+5
壓力強度: 0.1MPa 壓力強度 Fixed Created by konadoul
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分析模型III 分析模型III
依照網格密度和建模法的不同，分析模型可分成四種
– – – – – Case1: 建模法1 Case2: 建模法2，以Shell to solid連接，交接處殼元素網格等於實體元素 Case3: 建模法2，以Shell to solid連接，交接處殼元素網格比實體元素大 Case4: 建模法2，以Shell to solid連接，交接處殼元素網格比實體元素小 Case5: 建模法2 , 以Shell to solid連接，交接處殼元素網格比實體元素大，實體元 素的部分予以網格細化
Case1 Case2 Case3 Case4 Case5
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分析結果III 分析結果III
位移 (2ms)
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
分析無法收歛
Case4無法收歛，Cas2,Case3和Case5與Case1結果幾乎相同 無法收歛， 和 與 結果幾乎相同 無法收歛
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分析結果III 分析結果III
Von-Mise
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
分析無法收歛
Case4無法收歛，Cas2,Case3和Case5與Case1結果幾乎相同，差異僅 無法收歛， 和 與 結果幾乎相同， 無法收歛 結果幾乎相同 在邊界條件處的最大應力值
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分析模型IV 分析模型IV
網格模型同分析模型III 測試條件為固定PCB三個螺孔，給予200G的半正弦衝擊波，作用時間2ms
衝擊強度: 衝擊強度 200G
Fixed
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分析結果IV 分析結果IV
位移 (2ms)
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
Case4的最大位移結果有很大的差異 的最大位移結果有很大的差異
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分析結果IV 分析結果IV
Von-Mise
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
比較整體應力分布趨勢可發現，Case4的結果有很大的差異 比較整體應力分布趨勢可發現， 的結果有很大的差異
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分析結果IV 分析結果IV
Von-Mise (最大值設定15MPa)
Case1 Case3 Case5
Case2
Case4
觀察殼元素與實體元素連接區域應力分布可發現，所有的簡化模型 觀察殼元素與實體元素連接區域應力分布可發現， 均有相當程度的差異
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小結2 小結2
由分析模型III和分析模型IV可得知，在此種類型的簡化上，Shell to solid的連接 只於靜態問題有較佳的表現
– 殼元素連接處的網格大小需比實體元素大
於動態問題中，以Shell to solid連接殼元素和實體元素，可得到正確的位移植和 整體應力分布趨勢，但在連接處的應力值可能會出現錯誤
– 殼元素連接處的網格大小需比實體元素大
如果連接區域為分析所關住的重點，應使Shell to solid拘束離該區域較遠或不使 用此種方式簡化
– Case6: 直接以實體元素建模並使用Tie拘束，進行衝擊試驗
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分析結果IV 分析結果IV
Von-Mise (最大值設定15MPa)
Case1 Case6
此種簡化方式於動態問題中， 此種簡化方式於動態問題中，可以獲得連接處的正確應力
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結論
以Shell to Solid拘束連接殼元素和實體元素，於靜態問題中幾乎沒有問題
–建議連接觸殼元素大小比實體元素大 以Shell to Solid拘束連接殼元素和實體元素，於動態問題中有較多的限制
–連接觸殼元素大小需比實體元素大–可得到準確的位移結果
–可得到準確的整體應力分布趨勢–連接處的應力準確度較差
於動態問題求解中，如需要將模型網格做適當安排，在不使用共用節點方式建
模的情形下，以Tie拘束連接為較佳的選擇Created by konadoulPage 21