边界条件
边界条件
边界条件模块是用来建立包含施加于模型上的载荷及约束等边界条件的分析工况。边界条件可以在划分网格前的零件几何上施加,也可以在划分网格后的节点和单元上施加。在零件几何上施加边界条件意味着:如果修改零件及更新模型的话,边界条件也会随之而更新。
分析工况是DOF集,约束(CONSTRAINTS),约束(RESTRAINTS),结构载荷及热传导载荷的集合。对于大多数结构分析问题,仅仅只需要结构载荷和约束(RESTRAINTS)。结构载荷可以是节点力(直接作用于节点上),或者是单元边界或面上的压力(运算中它也将转换成节点力)。一个节点力有六个值,分别三个方向的力及三个方向的力矩。为构造节点力,必须先选择节点,使用SHIFT键或区域选择法可同时选择多个节点。
约束(RESTRAINTS)用来约束模型对地的运动。在每个节点上约束也有六个值:三个移动和三个转动。对每个值的输入来说。可以是一个表示固定位移的值,也可以让其自由。(0表示该自由度方向不能移动)。加约束节点的选择方法与加载荷节点的选择方法一样。对每个节点,约束值的给定是基于节点本身的位移坐标系统,而不是基于全局坐标系统。一个模型应该被约束夹死在空间中,这样它在任何方向都不能自由移动,即使这个方向上没有施加力。不然这个问题无法求解。
模型上的力和约束是使用箭头来作图形说明。力用开箭头表示,力矩用开口双箭头表示,约束用闭箭头来表示,移动用闭口双箭头来表示。零件几何上的力和约束用围绕箭头的圆来表示。
约束(CONSTRAINTS)读起来很象约束(RESTRAINTS),但绝不能把它们混同。此约束是一个节点与另一个节点之间的约束,而不是对于地的约束。它能用于对称边界条件的特殊工况,或用于节点间的特殊联接关系。
DOF集用于确定问题中特殊的自由度,通常用于动态分析。用自由度定义的DOF集能作为MASTER DOF,运动DOF,联接DOF在分析工况中使用。MASTER DOF用于一种叫做GUYAN分解的动态解题方法中,在动态求解中,问题将分解为自由度的主集。运动DOF能用于静态问题,对于在某个特定方向上没有边界条件的工况,它用来分解一个模型的所有运动自由度。一般来说,用前述的约束(RESTRAINTS)来完全约束模型会更好些。运动和联接DOF在I-DEAS系统动态分析中用来定义哪些部分将会联接。
边界条件中的常用概念
如果你已经精炼了网格,直到得到一个收敛的答案。模型错误(比如没有足够的单元或单元畸变)将会近于无。然而,不管你多么精炼模型,只要出现边界条件错误,程序将不会收敛。边界条件错误在结果中并不很明显。如果模型中存在不恰当连接的单元和裂缝,位移检查会将它表示出来。但由简单支撑和固定支撑间的不同而产生的位移效果是很细微的。基于以上原因,边界条件错误是你可能犯的最危险的错误。除了仔细检查以外,别无它法。比如,你应该经常做一些简单的手工计算来验证你的结果是不是远离预期的结果。同样要学会在位移图中观察任何非预期方向上的变化可者变形后形状的倾斜。在模型中任何无法解释的高应力区就有可能是由于约束布置在错误的位置上而产生的。
人们有一个坚定的倾向:那就是俱计算机所得的结果,而不怀疑边界条件的假设,所以,分析者有责任做好边界条件的假设。
对称边界条件
如果模型和载荷都是对称的,通常就可以只做问题的半个模型。由于对称的关系可以通过施加对称的边界条件,使得在半个模型的对称平面上位移与在整个模型情况下的相同。由于不仅模型可以缩小一站的尺寸,而且带宽也比较小,所以这样能带来巨大的效率,解同样的问题只需以前的四分之一或更短的时间。
若你能精通以下的论述,你将懂得如何正确使用对称边界条件。如果你做不到这一点,你不应尝试使用该捷径,不然的话,你可能得出错误结果,而不知道它们是错误的。这是非常危险的。
在对称面上,你可以假设放置了一面镜子。从镜子中你可以看到与镜子后面同样的东西(相同的模型,变形和应力)。那么,镜面上的节点在哪个自由度上不能移动呢?它们不能垂直于镜面移动,也不能在镜面上移动。
想列出所有可能的面和自由度方向的组合,可利用下列的表来完成。表中最上面是自由度栏目,最左边一列是对称栏目。如果用平面的法线来定义平面 ,这个表是非常明了的。例如表中X=0面就是I-DEAS中的YZ面。
在表中,F表示自由,0表示不能运动,与I-DEAS中输入约束的方法相同。首先,对每个面的法线方向平移填入0得到:
自由度
面 X Y Z RX RY RZ
X=0 0
Y=0 0
Z=0 0
第二步,对另外的平移填入F,表示它们可以自由移动:
自 由 度
面 X Y Z RX RY RZ
X=0 0 F F
Y=0 F 0 F
Z=0 F F 0
下一步有点难以直观理解,但看样表就非常容易,在面上不能移动。在样表上,将平移的“余数”填入转动各列(即F变成0,0变成F)而得到完整的对称性边界条件:
自 由 度
面 X Y Z RX RY RZ
X=0 0 F F F 0 0
Y=0 F 0 F 0 F 0
Z=0 F F 0 0 0 F
对于对称面来说,与其凭直觉得出边界条件,倒不如安全地学好使用这张表。
反对称边界条件
有另外一种对称状况:些时,模型是对称的,载荷也具有对称性,但穿过镜面后符号反向。这叫做“反对称性”。它与没有对称性的“不对称”并不相同。反对称性经常存在,如果你理解它在何处及如何使用它,将会节省很多的解题时间。施加于汽车框架上的扭曲载荷是反对称性工况的例子。
反对称边界条件是非常难以直接得出的,但样图却非常容易理解,而且确保你得到正确结果的安全方法。你所要做的仅仅是按照下表完成你的输入。
反对称边界条件
自 由 度
面 X Y Z RX RY RZ
X=0 F 0 0 0 F F
Y=0 0 F 0 F 0 F
Z=0 0 0 F F F 0
许多情况下,一个问题可能不止一个对称面。例如,中心有个圆孔的矩形板,拉紧板的边界,求模型的应力。这个问题可以只求解四分之一板的模型。两相对称面交叉处的节点应该用0来约束。