Abaqus软件中的单元生死(Model change)和单元删除(Element deletion)

在 Abaqus 中，模拟生死单元需要使用 Model Change 功能。它并不是真正让单元消失，而是通过“抑制”或“重新激活”单元来模拟结构中材料的增加或去除。

主要应用场景包括：

· 焊接与增材制造（逐层填充材料）

· 隧道开挖与基坑施工（分段挖掉土体）

· 断裂与切削（失效后删除单元）

· 施工过程模拟（构件依次安装）

一、Model Change 的基本操作步骤

1. 定义单元集

      在 Mesh 或 Part 模块中，为将来需要杀死或激活的单元创建一个 Set（例如命名为 Remove_Element 或 Add_Element）。推荐使用单元集（Element Set），因为 Model Change 默认针对的是单元。

2. 进入 Interaction 模块

      点击工具栏中的 Create Interaction，类型选择 Model change。

3. 选择分析步

      在 Abaqus/Standard 中，除 了Static, General、Riks 和线性摄动步外，大多数分析步（如静力通用步、显式分析步）都支持 Model Change。

      对于 Abaqus/Explicit，需使用 *MODEL CHANGE, TYPE=ELEMENT, REMOVE/ADD 关键词，且显式分析中的单元移除常配合失效准则使用。

4. 指定单元集与操作

      在编辑对话框中：

   · Region 处选择提前建好的单元集。

   · 选项 有两种主要动作：

     · Deactivated in this step：在当前分析步“杀死”这些单元。它们不再参与刚度、质量、载荷计算，但后处理中仍可见（通常被隐藏）。

     · Reactivated in this step：在当前分析步“激活”之前被杀死的单元。单元被激活时默认应变为零（即从当前构型开始承载，不包含杀死前的变形历史）。

   · 高级选项：如果想激活单元时保留杀死前的应变状态，可勾选 Reactivate with Strain。这对于模拟焊接后继续承载等情况很重要，否则激活单元会突然跳到变形前的位置，造成网格扭曲。

5. 提交计算并查看结果

      在 Job 模块提交任务。后处理中，被杀死的单元不会显示应力或变形，可以通过调整显示组或逐帧观察单元的出现/消失过程。

二、两种实现方式详解

方式一：人为控制移除与激活

· 用户在每个分析步手动决定哪些单元被杀死、哪些被激活。

· 典型流程：先在一个分析步杀死某组单元（如开挖区），然后在后续分析步中激活另一组单元（如衬砌）。

· 适合模拟分段施工、增材制造中的多层沉积（通过 Python 脚本批量创建大量分析步并控制 Model Change）。

方式二：基于材料失效的自动删除

· 当单元的材料达到设定的失效准则（如最大塑性应变、损伤演化临界值）时，Abaqus 会自动将其删除。

· 这种方法不需要显式使用 Model Change 交互，而是通过材料模型实现：

  · 在 Material 模块中定义 Damage 参数（例如 Ductile Damage, Shear Damage），并设置 Damage Evolution 中的 Displacement 或 Energy 以及 Removal 选项（Max Degradation 设为 1 时单元被删除）。

  · 对于 Abaqus/Explicit，也可使用 Tensile Failure 或自定义 VUMAT 子程序。

· 后处理中，失效单元会消失，常用于切削、冲击破碎等。

三、重要注意事项

1. 分析步顺序：若要杀死一组单元，该操作必须放在它开始有载荷或边界条件之前的那个分析步。若要在后续激活，也需在激活前设置一个独立分析步。

2. 接触与约束：杀死单元会同时移除其参与的任何接触对或约束。激活时需重新建立接触定义（可在 Model Change 中同时控制接触的 deactivation/reactivation）。

3. 质量与惯量：杀死单元后，其质量也会被移除。对于显式动力学分析，突然移除大量质量可能导致数值不稳定，建议配合质量缩放或平滑过渡。

4. 后处理显示：默认被杀死的单元在云图中不显示。可以通过 Result -> Field Output 勾选 STATUS 变量来查看哪些单元是激活的（值为1）、哪些是被杀死的（值为0）。

5. 大变形影响：激活带有应变的单元（勾选 Reactivate with Strain）时，单元会从杀死前的变形状态开始继续变形。若不勾选，单元会以“部署”后的无应力形态出现，可能到账与周围已变形单元不连续。

四、简单示例（逐层增材制造逻辑）

假设要模拟三层材料的逐层沉积（每一层用一个单元集表示）：

· 初始分析步：所有层全部杀死（Deactivated）。

· 第1个分析步：激活第一层（Reactivated）。

· 第2个分析步：激活第二层，同时第一层保持激活。

· 第3个分析步：激活第三层。

实际操作中，可以通过 Python 脚本自动生成上百个分析步和对应的 Model Change，避免手动重复。