ABAQUS: Phần tử thường dùng trong công trình đất đá (1)

Kho phần tử trong ABAQUS rất phong phú. Do không thể tồn tại phần tử có thể thích hợp với mọi vấn đề phân tích, lựa chọn phần tử thích hợp nhất cho vấn đề cần nghiên cứu là một việc làm quan trọng và phức tạp. Trong entry này, Hưng.kcct sẽ giới thiệu với Bà con các phần tử có khả năng dùng đến trong phân tích phần tử hữu hạn công trình đất đá. Nội dung chia làm hai phần: phần 1 giới thiệu đặc trưng của phần tử; phần hai giới thiệu các phần tử thường dùng.

Phần 1: Đặc trưng của phần tử

Mỗi một loại phần tử trong ABAQUS đều có tên gọi riêng của nó, ví dụ như C3D8, CPE4…Trong tên gọi này đã phản ánh 5 đặc trưng của phần tử. 5 đặc trưng này là:
* Họ phần tử
* Độ tự do
* Số điểm nút
* Miêu tả toán học
* Tích phân
(1) Họ phần tử
Phân biệt rõ ràng nhất giữa các họ phần tử là ở chỗ giả định loại hình hình học của các họ phần tử không giống nhau. Hình dưới đây thể hiện họ phần tử thường dùng nhất trong phân tích ứng suất, bao gồm phần tử khối, phần tử vỏ, phần tử dầm… Chữ cái bắt đầu trong tên gọi phần tử thể hiện chúng thuộc họ phần tử nào. Ví dụ như chữ cái S trong phần tử S4R thể hiện nó là phần tử vỏ, chữ cái C trong phần tử C3D8I thể hiện nó là phần khối. Trong thực tế người sử dụng cũng không cần thiết nhớ tên gọi chuẩn xác của họ phần tử, vì khi lựa chọn loại hình phần tử trong ABAQUS, nó sẽ đưa ra dòng thông báo tên gọi và các thông số về phần tử đã lựa chọn như phần tử CPE4R cho ở hình thứ 2.

Họ phần tử thường dùng

Lựa chọn loại hình phần tử trong ABAQUS/CAE

(2) Độ tự do
Độ tự do (dof) là biến lượng cơ bản tính toán trong phân tích. Ví dụ như phần tử dùng cho phân tích ứng suất/chuyển vị chỉ có độ tự do chuyển vị (1~3), phần tử dầm hoặc phần tử bản vẫn có sẵn độ tự do góc xoay (4~6)…
(3) Số điểm nút
ABAQUS chỉ tính toán độ tự do nơi điểm nút phần tử, độ lớn độ tự do trong nội bộ phần tử thì dựa vào độ lớn của độ tự do điểm nút nội suy mà thành. Rất rõ ràng, số bậc nội suy với số điểm nút phần tử có liên quan đến nhau. Dưới trạng thái thông thường, số điểm nút càng nhiều, số bậc nội suy càng cao. Phần tử nội suy bậc cao thông thường ở trên cạnh phần tử có thêm điểm nút. Dựa vào số bậc nội suy chuyển vị điểm nút, có thể xem phần tử ABAQUS phân thành 3 loại dưới đây:
 Phần tử tuyến tính (linear): chỉ bố trí điểm nút ở nơi điểm góc của phần tử, các phương đều sử dụng nội suy tuyến tính.
 Phần tử bậc hai (quadratic): ở trên mỗi đường biên có thêm điểm nút trung gian, sử dụng nội suy bậc hai.
 Phần tử bậc hai cải tiến (modified quadratic): chỉ có phần tử hình tam giác hoặc khối 4 mặt mới có loại hình này, tức là trên mỗi đường biên có thêm điểm nút trung gian, đồng thời sử dụng nội suy bậc hai cải tiến.
Thông thường có thể nói, trong tên gọi phần tử đã bao hàm số điểm nút phần tử, ví dụ như phần tử C3D8 có 8 điểm nút, phần tử C3D20 có 20 điểm nút.

(4) Miêu tả toán học
Miêu tả toán học phần tử là chỉ lý luận toán học (cơ học) dùng để định nghĩa phần tử. Dưới một vài trường hợp nào đó, để mô phỏng không giống nhau, một họ phần tử nào đó có thể bao hàm miêu tả toán học không giống nhau. Ví dụ điển hình nhất là lý thuyết dầm, lý thuyết vỏ hoặc bản. Như lý thuyết bản hiện nay có lý thuyết bản thông thường, lý thuyết bản dày, lý thuyết bản mỏng…
(5) Tích phân
Trong tính toán phần tử hữu hạn cần phải đối với một lượng vật lý nào đó trong phần tử tiến hành tích phân mặt hoặc tích phân khối, thông thường các tích phân này chưa có lý thuyết giải chính xác, bắt buộc thông qua tích phân số để hoàn thành. Đối với đại bộ phận phần tử, ABAQUS sử dụng tích phân Gauss tính toán hưởng ứng tại mỗi một điểm Gauss trong nội bộ phần tử. Đối với phần tử khối, có hai loại phương pháp tích phân là tích phân hoàn toàn và tích phân giản lược. Đối với vấn đề đặc biệt, lựa chọn phương pháp tích phân hoàn toàn hoặc là phương pháp tích phân giản lược sẽ quyết định độ chính xác và độ tin cậy của vấn đề phân tích.
Đuôi tên gọi phần tử trong ABAQUS dùng chữ cái R để nhận biết phần tử tích phân giản lược, đối với phần tử tạp giao chữ cái đuôi là RH. Ví dụ như CAX4 là phần tử khối tích phân hoàn toàn, tuyến tính và đối xứng trục; còn CAX4R là phần tử khối tích phân giản lược, tuyến tính và đối xứng trục.

(còn nữa)