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有限元仿真误差揭秘:边界条件、约束与point mass

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一、约束
约束是有限元仿真建模的基础,很多同学都觉得约束设置没有什么值得思考的,但是仔细推敲实际上并不简单。还是拉杆问题,一根直径为0.06m,长0.5m的杆件,受拉力 100000N,如下图所示。

图 1拉杆简图

够简单吧,一般的同学可能直接约束底面的六个自由度,在workbench中就是Fixed support。然后计算的结果如下。

图 2应力云图

从云图上看最大应力 62.5MPa,比理论计算值35.3MPa大了将近77%。而且应力分布 也不正常,底面周围应力值很大,中间应力值小,按理论分析 应力应该是均匀的才对。

为什么会造成这种计算结果?主要是因为受拉杆件的截面是会收缩的,而Fixed support将底面的所有节点的的所有自由度都置零。这样底面就无法收缩,在底面的周围就会产生较大应力。

如果采用displacement 将底面的轴向的自由度置零,看下仿真结果。

图 3应力云图

从云图上看结果和理论计算一致为35.3MPa,应力分布也是均匀的。还有一种约束形式workbench中的remote point,翻译过来可以叫远点约束,可以用remote point关联相关节点的自由度,并将该节点的六个自由度置0,计算结果如下。

图 4应力云图

可以看出和displacement约束下的计算结果相同,这个结果看似正确,但仔细推敲下,还是里面还有值得思考的问题。

笔者我以前认为remote point是将底面所有节点通过刚体单元连接到一个参考点上,但如果是这样应该和图2显示的计算结果是一样的。

我们用hyperworks来试验下。将底面的节点使用rb2也就是刚体单元,连接到一个参考点上,将该参考点的六个自由度 都置0,如下所示。

图 5约束

得到底面应力云图如下所示。

图 6应力云图

底面应力分布和图2基本一致,也呈现出周围比中间高的情况。我们看看remote point的相关菜单,我们将remote point的behavior改成rigid。

图 7remote point相关菜单

计算结果如下。

图 8应力云图

计算结果和图2一致。总结下仿真计算结果,如下表所示。

(点击阅读完整全文)

有限元仿真分析误差来源之边界条件,约束和point mass

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