三维垫片单元

垫片广泛用于多种装配件并在密封和传递力方面发挥着重要作用。虽然某些垫片具有简单的几何体和材料组成，但是大多数垫片都具有复杂的结构和材料组成。它们在压缩加载和卸载条件下将展现复杂且高度非线性的行为。根据垫片的精确几何体和材料组成对其进行建模通常不切实际。在现实中，最需要关注的是垫片的力学响应。因此，可以使用特殊的垫片单元模拟垫片行为并避免垫片本身的细节。

垫片单元行为具有以下特殊性：

仅产生和传递厚度方向的压缩应力。将忽略垫片平面方向的应力和力。因此，即使垫片部件可能粘合到配合部件（通过使用各部件上的相同节点），也最好将连接视为 0 摩擦表面，因为垫片中不会产生剪切力。
必须仅使用一个单元在厚度方向上创建网格。
在某些情况下，用户需要指明作为顶部和底部的表面。如果垫片的厚度尺寸（压缩方向）大于宽度（垂直于压缩方向），则会发生这种情况。请参见下文。
材料属性特定于给定的垫片厚度。

三维垫片单元可以具有以下几何体形式：块体（8 个角节点，6 个四边形面）、楔形体（6 个角节点，2 个三角形面，3 个四边形面）、锥体（5 个角节点，4 个三角形面，1 个四边形面）和四面体（4 个角节点，4 个三角形面）。由于在厚度方向仅允许一个单元，因此四面体单元至少有一个面必须位于垫片的顶部或底部。

垫片单元的材料模型包括多线性弹性曲线、屈服点、多线性塑性曲线和多个卸载曲线（每个曲线都由多线性曲线定义）的性能。

将载荷应用于表面

均匀压力、面力和静水压力仅可应用于三维垫片单元的顶面或底面，但不能应用于两者。

如果模型源自 CAD 实体模型且尚未进行手动更改，则可通过选择压力适当的面的表面应用压力。组成面的各条线的表面编号并不重要。纯 CAD 模型可以确定属于表面的面。如果所选表面是垫片的顶面或底面，则将应用压力。

对于手动划分网格的部件，或如果已更改 CAD 模型（因此用户处理的是手动划分网格的等效模型），组成单元面的大多数线需要位于同一表面编号上，压力才能应用于面。对于四节点面，同一表面编号上的四条线中的三条将决定该面的表面编号。对于三节点面，同一表面编号上的三条直线中的两条将决定该面的表面编号。然后，定义三维垫片单元的面中的最高表面编号将决定单元的表面编号。如果所选表面是垫片的顶面或底面，则将应用压力。

使用三维垫片单元的基本步骤

确保已定义单位制。
确保模型使用非线性分析类型。
创建垫片的网格时，在厚度方向上请使用一个单元。请注意，CAD 实体模型的网格生成器具有使用一个单元创建网格的特殊设置。（请参见划分 CAD 实体模型的网格）
对于要成为三维垫片单元的部件，请在其“单元类型”标题上单击鼠标右键。
选择“三维垫片”命令。
在“单元定义”标题上单击鼠标右键。
选择“编辑单元定义”命令。
在“单元定义”对话框中指定适当的输入以指定垫片单元的求解参数。
按“确定”按钮。
在部件的“材料”标题上单击鼠标右键，然后选择“编辑材料”。输入垫片的材料属性。
选择定义垫片的顶面和底面的一个或多个表面。此操作可以在显示区域（“选择”“选择”“表面”）中或在树视图的“表面”分支中执行。（两个面可以位于相同或不同的表面编号上。）单击鼠标右键，然后选择“垫片顶面/底面”。处理手动创建的网格时，连接顶面和底面的垫片侧面上的线不应位于与顶部或底部表面相同的表面编号上。

高级三维垫片单元参数

“单元定义”对话框中的其他参数将决定分析期间垫片的行为。

“分析公式”下拉菜单决定分析中是否包含大变形效应。如果选择“几何非线性”，则将根据当前的垫片变形更改垫片的厚度和方向。几何体更改导致的大变形效应将包括在内。如果选择“线性”，则将通过原始位置计算厚度和方向。假定存在小变形效应并忽略几何体更改导致的效应。
“积分阶次”下拉菜单设置整个单元的计算精度。对于矩形单元，请选择“2 阶”选项。对于中度扭曲的单元，请选择“3 阶”选项。对于极度扭曲的单元，请选择“4 阶”选项。单元刚度公式的计算时间将以积分阶次的三次方增加。因此，为缩短处理时间，应使用将生成可接受结果的最低积分阶次。
“稳定系数”字段提供模型的数值稳定性。由于垫片仅在厚度方向上具有刚度，因此垂直于厚度方向的运动可能不稳定，特别执行静态应力分析时和通过垫片连接的部件未通过其他方式约束（连接部件的螺栓、边界条件等）时。如果垫片受到良好约束，则“稳定系数”可以是零。通过“稳定系数”添加的刚度是稳定系数与垫片材料属性曲线的最后一段的刚度之积。由于此选项会将刚度添加到弹性矩阵的对角线项，因此其应足够小以不影响结果的收敛和准确性。
仅当将“分析公式”设置为“线性”时，“全面使用默认的初始厚度方向”复选框才可用。激活后，垫片的厚度将设置为由“标量 X”、“标量 Y”和“标量 Z”输入指定的恒定厚度。对于节点坐标的数值误差可能对厚度造成重大影响的极薄垫片，此项可能非常有用。