ANSYS有限元計算中設(shè)置固定支撐約束的注意事項

固定支撐是在結(jié)構(gòu)有限元中，大家最常用的一種約束條件了。如圖1所示給出了設(shè)置固定支撐操作的方法。

圖1 設(shè)置固定支撐操作方法

固定支撐約束，可以應(yīng)用在點，線和面特征上。固定支撐表示被約束為位置為剛性，但是在現(xiàn)實工程結(jié)構(gòu)中，根本不存在完全剛性的約束，因此固定支撐約束是一種理想約束。在實際計算中，用戶應(yīng)該注意以下幾點：

1、固定約束附近的應(yīng)力不準確，不能作為產(chǎn)品強度評估的依據(jù)

這個理論依據(jù)是圣維南原理，其實固定約束是一種等效約束，它會約束附近的應(yīng)力有顯著影響，但是遠離約束位置的應(yīng)力時可信的。如圖2給出了拉伸載荷作用下的軸的有限元計算模型，該模型的截面積1.2503e-005m^2,軸力為10N，則軸向應(yīng)力7.99e5Pa。

圖2 拉伸載荷作用下的軸的有限元計算模型

圖3給出了軸向應(yīng)力云圖，通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定約束位置的應(yīng)力明顯大于理論解答，而遠離固定支撐的位置與理論解基本一致，大約為7.96e5Pa，但是目前固定支撐約束的影響范圍，目前還無法通過理論確定，因此在工程應(yīng)用中，需要進行數(shù)據(jù)對比確定合理的計算結(jié)果。

圖3 軸向應(yīng)力云圖

2、固定支撐約束附近不要進行網(wǎng)格細化

因為隨著網(wǎng)格細化，固定支撐約束位置的應(yīng)力是奇異的。如圖4給出了多次細化后的軸向應(yīng)力云圖，由圖可知，細化后，固定支撐約束位置的應(yīng)力迅速上升。

圖4 多次細化后的軸向應(yīng)力云圖

圖5 節(jié)點數(shù)量與最大應(yīng)力關(guān)系曲線

圖5給出了節(jié)點數(shù)量與最大應(yīng)力關(guān)系的曲線，由曲線可知，最大應(yīng)力即固定支撐約束位置的應(yīng)力，隨著網(wǎng)格細化，應(yīng)力值迅速上升，表現(xiàn)為應(yīng)力奇異，再由圖4可知，這種影響只存在固定支撐約束附近，遠離固定支撐約束位置的應(yīng)力與理論解還是一致的。所以如果，直接使用細化網(wǎng)格后的固定支撐約束位置的應(yīng)力對結(jié)構(gòu)進行強度評價，顯然就是錯誤的，因為有限元計算得到應(yīng)力解，在某些位置上，有時是虛假的，不能直接使用。

3、固定支撐約束避免在熱應(yīng)力計算中直接使用

固定支撐約束避免在熱應(yīng)力計算中直接使用，否則會在固定支撐約束位置，造成錯誤過大的熱應(yīng)力。

通過以上分析可知，要想將有限元軟件應(yīng)用到實際的產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化中，除了掌握軟件的基本操作外，用戶更需要積累和消化的是力學理論，否則就極有可能造成將錯誤的計算結(jié)果應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中。

原文標題：固定支撐約束在ANSYS有限元計算中的三大注意事項

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責任編輯：haq