HyperWorks有限元分析教你如何消除刚体位移

消除刚体位移

确保提供的边界约束足以消除可能的刚体运动。如果模型未完全约束，模型将在空间六个方向（平动和转动）的任一方向上发生刚体位移。出现刚体位移时，求解器将在为整体刚度矩阵中加入零刚度项，从而无法求解该问题。如果约束条件不充分，求解器求解要么失败，要么给出错误的结果（该规定的一个例外是自由模态分析。）

惯性释放技术是一个独特而有用的解决方案，它只需定义最小数量的约束。该解决方案中，约束反力由体力自动消除，由此产生的结果与自由结构类似。请记住，有限元方法是一种近似的解决方案，对于求解器来说，其平衡力系统的假定未必正确，在某个未约束方向上即使非常小的扰动都将可能导致刚体运动的发生。

机构

机构是指可以理想化为一组边界条件的各种机械连接，下面列出了一些常见的机构及其边界条件假定：

对称特征

对称特征可以大大简化模型准备和求解时问题的规模与复杂性，但必须保证对称边界条件的连续性。为了使用对称假定，载荷与边界条件和模型几何形状必须是对称的。如果这两个标准中的任一标准无法满足，那就需要建立完整的模型。然而，如果模型几何形状是对称的，但载荷与边界条件不对称，建模时仍可以使用对称假定进行模型简化。下面列出了壳单元与实体单元平面对称中一些常用的假定。约束模型中位于表中阴影位置的单元。

请注意，该假定对梁单元与壳单元来说，同样有效。关于该主题的更多信息，请参看13章（边界条件与载荷）相关内容。

这里，对称面分别使用xy、xz、yz名称表示。

结果叠加

结果叠加用于具有相同边界条件的线性静力解决方案中添加力或负载边界的场合。如果约束保持不变，刚度矩阵只需求解一次，因而载荷可以分别施加，然后在后处理阶段进行结果叠加。这一约定在工程实践中非常有用，通过创建多组单位载荷，然后将结果放缩并叠加在一起而不需要重新求解模型。这一技术的使用要求工程师考虑足够多的单位载荷以避免重新分析。

建模方法选择

选择合适的载荷和边界条件建模方法。确定使用集中力或是压力，均布约束还是集中约束。

请记住，错误总是出现在施力点或边界条件约束点位置，因此应当选择一种可以减少应力集中的加载方式。下面的示例描述了选择建模方法的过程。

u型支架

该U型支架等厚且载荷施加到支架的平面位置。因而，该问题可以认为是个平面应力问题。对于平面应力问题，所有的应力都分布在施加载荷所处的平面内。平板通过销钉与其他零件连接在一起。因而，可以单独分析。

如果载荷的作用效果超出了平板的平面，此时必须考虑进行完整的三维壳单元分析。平面应力单元可用来处理这一问题，或如果计算消耗可以接受的话，也可以使用壳单元。壳单元往往能够提供更加精确的结果，因为它们的用途广泛而且人们在壳单元的研究中也投入了大量的精力。平面应力单元的使用极大缩减了刚度矩阵因而可以获得一个快速的求解过程。

如果考虑模型局部区域的厚度对销钉的影响时，则需要使用实体单元创建一个完整的三维模型。如果研究平板与销钉件的交互作用，则需要创建一个详细的、包含复杂接触的模型。下图描述了该系统的自由体图。

U型支承平板与连接结构自由体图

上图仅考虑了P1工况的效果。P2工况将在U型支架和平板的销钉连接位置产生一个水平分力。

载荷与边界条件总结

1.调研以往分析案例并进行实地观察。

2.确定需要考虑的外围结构。

3.绘制并研究零件及相关联结构的自由体图。

4.收集载荷信息（通过测试或仿真手段获取这些信息）。

5.选择待研究的载荷和边界条件集。

6.检查最小数量的约束以消除模型的刚体运动。

7.选择载荷与边界条件的建模方法。