ANSYS WORKBENCH中弱彈簧的詳細含義理解

2016-08-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

許多CAE朋友在ANSYS WOKKBENCH中進行靜力學和瞬態(tài)動力學仿真時,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)建靜力學分析系統(tǒng)。

2. 創(chuàng)建梁的三維模型。

雙擊geometry單元格,進入到DM中,然后創(chuàng)建一根三維梁

其尺寸設(shè)置如下

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,進入到mechanical中,并自動劃分網(wǎng)格,結(jié)果如下。

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。

在右端面上施加10KN的拉力。

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

即拉伸了0.00498mm左右。

其應(yīng)力大小是

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

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

為了看清楚該信息的全部內(nèi)容,雙擊打開該警告信息。

SNAGHTML88b3d0c

其含義是說,有一個或者多個物體,可能沒有約束好,導致發(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

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

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”的細節(jié)面板如下圖,關(guān)閉弱彈簧。

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?？梢?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。

現(xiàn)在壓制左邊的位移邊界條件,

然后在左端面上施加一個集中力,是拉力,大小為10kn.

現(xiàn)在的邊界條件如下

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。

開始計算。結(jié)果出錯,信息如下

其中的警告信息如下圖

SNAGHTML8977599

含義是,在求解過程中遇到了奇異,這是因為出現(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

SNAGHTML89ca8c9

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。

我們反省一下。我們所做的改變,只是把邊界條件進行了變化,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認為我們的模型沒有約束好,這是怎么回事呢?

實際上,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。

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。

現(xiàn)在,重新計算。

計算完成后,出現(xiàn)了警告信息。

SNAGHTML8aa1706

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

由于是對稱的拉伸,所以一邊是正向位移,一邊是負向位移,大小均為0.0025mm,這是對的?？偟淖冃瘟渴?.5mm,這與前面的計算一致。

應(yīng)力結(jié)果如下圖

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)默認剛度的100萬倍。

計算并查看結(jié)果

則變形是

可見,位移發(fā)生了一些改變。

應(yīng)力是

在兩端面,應(yīng)力有些微的改變,大概是8%左右。

仔細查看左端面

我們可以看出,每個邊的中間點處,應(yīng)力集中。

至此我們可以明白,ANSYS是在每邊的中點處,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,這與實際情況是不符合的。

總之,當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?會導致計算無法進行;如果我們保留該弱彈簧,而把其剛度增加得太大的話,那么相當于給系統(tǒng)施加了很硬的彈簧,這相當于改變了邊界條件,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。

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