ANSYS有限元計(jì)算中設(shè)置固定支撐約束的注意事項(xiàng)

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(diǎn)，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(shí)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(shí)際計(jì)算中，用戶應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1、固定約束附近的應(yīng)力不準(zhǔn)確，不能作為產(chǎn)品強(qiáng)度評(píng)估的依據(jù)

這個(gè)理論依據(jù)是圣維南原理，其實(shí)固定約束是一種等效約束，它會(huì)約束附近的應(yīng)力有顯著影響，但是遠(yuǎn)離約束位置的應(yīng)力時(shí)可信的。如圖2給出了拉伸載荷作用下的軸的有限元計(jì)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(jì)算模型

圖3給出了軸向應(yīng)力云圖，通過(guò)計(jì)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(yuǎn)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(wú)法通過(guò)理論確定，因此在工程應(yīng)用中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比確定合理的計(jì)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(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化

因?yàn)殡S著網(wǎng)格細(xì)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(xì)化后的軸向應(yīng)力云圖，由圖可知，細(xì)化后，固定支撐約束位置的應(yīng)力迅速上升。

圖4 多次細(xì)化后的軸向應(yīng)力云圖

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

圖5給出了節(jié)點(diǎn)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(xì)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(yuǎn)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(xì)化網(wǎng)格后的固定支撐約束位置的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)，顯然就是錯(cuò)誤的，因?yàn)橛邢拊?jì)算得到應(yīng)力解，在某些位置上，有時(shí)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(jì)算中直接使用

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

通過(guò)以上分析可知，要想將有限元軟件應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xué)理論，否則就極有可能造成將錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

原文標(biāo)題：固定支撐約束在ANSYS有限元計(jì)算中的三大注意事項(xiàng)

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