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Bonnie2016新蟲 (小有名氣)
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[交流]
ANSYS WORKBENCH中弱彈簧的含義 已有2人參與
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轉(zhuǎn)載于宋博士的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_9e19c10b0102v0jn.html，轉(zhuǎn)載至此僅用于記錄看過的好文章，避免再次找的時候麻煩 許多CAE朋友在ANSYS WOKKBENCH中進(jìn)行靜力學(xué)和瞬態(tài)動力學(xué)仿真時，都遇到過弱彈簧（weak spring）的問題，我們發(fā)現(xiàn)，在求解結(jié)束以后，ANSYS經(jīng)常提到它給我們加了一個弱彈簧，并建議我們檢查一下模型，這是什么意思呢？弱彈簧是好還是不好，對于結(jié)果有沒有影響，該不該加，如何加呢？ANSYS加弱彈簧的目的又是什么呢？ 我們先考察一個超級簡單的例子，然后通過該例子來考察ANSYS所施加的弱彈簧的含義。一根矩形截面梁，長度為1米，橫截面是100mm*100mm，左邊固定，右邊加10kN的力，現(xiàn)在考慮加力后它的變形和應(yīng)力。顯然，這是一個簡單的拉伸問題，在軸線方向上應(yīng)力都是一樣的，按照拉伸的應(yīng)力公式，可以計算其大小為1Mpa。我們先對該問題進(jìn)行建模，然后修改邊界條件，來考察弱彈簧的含義。 1. 創(chuàng)建靜力學(xué)分析系統(tǒng)。（圖1） 2. 創(chuàng)建梁的三維模型。雙擊geometry單元格，進(jìn)入到DM中，然后創(chuàng)建一根三維梁（圖2）其尺寸設(shè)置如下（圖3）即長度為1000mm，而截面尺寸是100mm*100mm。 3. 劃分網(wǎng)格得到有限元模型。雙擊model,進(jìn)入到mechanical中，并自動劃分網(wǎng)格，結(jié)果如下。（圖4） 4. 施加邊界條件。左端面施加位移邊界條件，三個方向的位移都為零。圖5 在右端面上施加10KN的拉力。（圖6） 5.求解并得到結(jié)果。計算完畢后，沒有任何警告或者錯誤信息，而X方向的位移結(jié)果是（圖7） 即拉伸了0.00498mm左右。其應(yīng)力大小是（圖8） 由于在左邊存在應(yīng)力集中，此處有輕微的變化。而桿件的絕大部分應(yīng)力是1Mpa，這與實(shí)際情況是吻合的。 6.改變位移邊界條件，改變成力的邊界條件。在上圖中，軸線方向是X方向。該軸也只是在X方向上受力。從理論上看來，對于左端面，可以只約束X方向，而Y方向和Z方向可以是自由的。因此，下面對于左端面，只約束其X方向的位移，查看結(jié)果如何。修改左端面的位移邊界條件如下圖（圖9） 請注意左上角的文字提示，該截面的Y，Z位移都是free，即沒有做位移限制。 7.求解并查看結(jié)果。進(jìn)行求解。求解結(jié)束后，在信息欄中出現(xiàn)了警告信息如下圖（圖10） 為了看清楚該信息的全部內(nèi)容，雙擊打開該警告信息。（圖11） 其含義是說，有一個或者多個物體，可能沒有約束好，導(dǎo)致發(fā)生了剛性位移。為了獲得一個解，ANSYS給我們添加了弱彈簧。如果你想知道更多的信息，請看幫助系統(tǒng)中的troubleshooting部分。我們先接著看看結(jié)果。位移的結(jié)果（圖12） 最大位移是0.005mm，相比前面的解而言，有微弱的變化，可以忽略不計。應(yīng)力的結(jié)果（圖13） 非常好，完全與理論一致，也是我們所需要的結(jié)果。那么上面出現(xiàn)的警告又是什么意思呢？ANSYS添加了一個弱彈簧，如果我們不要該弱彈簧會如何？ 8. 關(guān)閉弱彈簧設(shè)置并重新計算。設(shè)置一下“anaylysis settings”的細(xì)節(jié)面板如下圖，關(guān)閉弱彈簧。（圖14） 重新計算。結(jié)果并沒有出現(xiàn)什么問題，而應(yīng)力和位移與沒有關(guān)閉前一模一樣。可見，該弱彈簧是可以被關(guān)閉的，并不一定需要添加。 9.用集中力取代左邊的位移邊界條件并計算�，F(xiàn)在壓制左邊的位移邊界條件，（圖15） 然后在左端面上施加一個集中力，是拉力，大小為10kn.，（圖16） 現(xiàn)在的邊界條件如下.，（圖17） 即：不再有位移邊界條件，而是在左右兩端面分別施加拉力。對于分析設(shè)置，關(guān)閉弱彈簧如下圖。.，（圖18） 開始計算。結(jié)果出錯，信息如下。.，（圖19） 其中的警告信息如下圖。.，（圖20） 含義是，在求解過程中遇到了奇異，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了病態(tài)矩陣。這種情況一般是由于材料屬性設(shè)置不合理，模型沒有約束好，或者接觸設(shè)置出了問題。 其中的錯誤信息如下（圖21） 它說，在計算過程中出現(xiàn)了未知錯誤。請檢查求解信息物體的求解器輸出，以便查看可能的原因。此時在窗口左邊的樹形大綱上，出現(xiàn)了我們不喜歡的紅色閃電符號 計算結(jié)果是值得懷疑的。（圖22） 我們反省一下。我們所做的改變，只是把邊界條件進(jìn)行了變化，把左端面變成了施加力的情況，左右端面的力是相等的，該桿件應(yīng)該不會發(fā)生剛性位移，從而也不需要約束。但是ANSYS認(rèn)為我們的模型沒有約束好，這是怎么回事呢？ 實(shí)際上，數(shù)值計算與我們的想象不一致。我們以為左右兩端面的力會平衡，實(shí)際計算并不一定會如此。左端面10kN的力最終會分配到該端面的各個節(jié)點(diǎn)上，右端面也會如此。這樣分配以后，一般都會存在一些誤差，導(dǎo)致最終在梁的軸線方向上，左右兩端面的力并不平衡，從而導(dǎo)致剛性位移。 為了約束這極可能存在的剛性位移，我們需要給桿件施加弱彈簧，就是在梁的兩個端面節(jié)點(diǎn)和地面之間加上彈簧，該彈簧的剛度很小很小，一般只有梁單元彈性模量的百萬分之一，這樣，并不會對應(yīng)力和變形計算造成實(shí)質(zhì)的影響，但是卻可以防止可能存在的剛性位移。這就是ANSYS所采用的方式。 我們現(xiàn)在打開弱彈簧。（圖23） 請查看上圖中的設(shè)置首先，我們打開了弱彈簧。就是請ANSYS為我們加上弱彈簧。接著，我們確定該彈簧的剛度是通過輸入因子的方式確定的。最后，我們確定該因子是1，就是說，該彈簧的剛度是梁單元彈性模量的百萬分之一�，F(xiàn)在，重新計算。計算完成后，出現(xiàn)了警告信息（圖24） 該警告信息與前面一致。只是說ANSYS已經(jīng)為我們添加了弱彈簧。但是并沒有錯誤信息。查看變形結(jié)果（圖25） 由于是對稱的拉伸，所以一邊是正向位移，一邊是負(fù)向位移，大小均為0.0025mm,這是對的。總的變形量是0.5mm，這與前面的計算一致。應(yīng)力結(jié)果如下圖（圖26） 可見，應(yīng)力也完全正確。可見，施加弱彈簧以后，結(jié)果看不出有什么影響，但是沒有出錯信息出現(xiàn)。這就是弱彈簧的好處，既滿足了我們的需求，又使得計算可以進(jìn)行。那么，弱彈簧的剛度變大又會如何呢？我們下面試著把弱彈簧的剛度增加到系統(tǒng)默認(rèn)剛度的100萬倍。（圖27） 計算并查看結(jié)果則變形是（圖28） 可見，位移發(fā)生了一些改變。應(yīng)力是（圖29） 在兩端面，應(yīng)力有些微的改變，大概是8%左右。仔細(xì)查看左端面（圖30） 我們可以看出，每個邊的中間點(diǎn)處，應(yīng)力集中。 至此我們可以明白，ANSYS是在每邊的中點(diǎn)處，施加了4根彈簧，而每根彈簧的剛度為我們所指定的剛度。對于另外一個端面也是如此，這樣,ANSYS共施加了8根彈簧。 顯然，由于施加的彈簧剛度過大，導(dǎo)致這里出現(xiàn)了應(yīng)力集中，這影響了我們的計算結(jié)果，這與實(shí)際情況是不符合的。 總之，當(dāng)ANSYS發(fā)現(xiàn)約束不足（或者施加的外力非常大）時，為了能夠正確計算，在必要情況下，它會添加弱彈簧。這種弱彈簧可以保證計算收斂，但是對于應(yīng)力和變形基本不會有什么影響。如果我們?nèi)∠撊鯊椈�，會�?dǎo)致計算無法進(jìn)行；如果我們保留該弱彈簧，而把其剛度增加得太大的話，那么相當(dāng)于給系統(tǒng)施加了很硬的彈簧，這相當(dāng)于改變了邊界條件，從而所計算的結(jié)果是不可行的。 所以，弱彈簧是一種很好的解決方法。當(dāng)系統(tǒng)給出它加了弱彈簧的信息后，我們是需要檢查一下模型，看看有沒有問題。如果沒有問題，那么使用弱彈簧就是合適的選擇。如果有問題，則需要修改模型，不用加弱彈簧自然是最合適的方式。 圖太多，請看宋博士原文，這里就不上傳了 1.png 2.png 3.png |
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