結(jié)構(gòu)靜力分析邊界條件施加方法與技巧

2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

在結(jié)構(gòu)的靜力分析中載荷與約束的施加方案對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響,甚至導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可信,筆者在《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAE主業(yè)務(wù)流程》的博文中也提到這一點(diǎn)。那么到底如何施加載荷與約束呢?歸根到底要遵循一個(gè)原則——盡量還原結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的真實(shí)約束和受力情況。本文著重介紹幾種約束的施加方法與技巧,并通過(guò)具體例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。

1 銷軸約束

銷軸連接在結(jié)構(gòu)中是很常見(jiàn)的一種形式,其約束根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式有所不同,下面以一個(gè)走行裝置為例具體介紹一下。

走行裝置是連接平動(dòng)軌道與上部結(jié)構(gòu)的,其約束應(yīng)是軌道通過(guò)車輪對(duì)走行裝置的約束,但是通常對(duì)于車輪只要驗(yàn)證其輪壓滿足要求即可,因此在模型中往往將車輪簡(jiǎn)化掉,因此對(duì)于走行裝置的約束就變?yōu)殇N軸約束。

結(jié)構(gòu)靜力分析邊界條件施加方法與技巧+有限元項(xiàng)目服務(wù)資料圖圖片1

圖1 某走行裝置

圖1 中1-10是與車輪相連接的軸孔,車輪行駛于軌道上,約束位置在10對(duì)軸孔處,如果把整個(gè)軸孔都約束則約束剛度太大,結(jié)果會(huì)導(dǎo)致圓孔周圍應(yīng)力過(guò)大,因此應(yīng)簡(jiǎn)化為約束軸孔中心點(diǎn),將中心點(diǎn)與軸孔邊緣通過(guò)剛性單元連接,簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束。首先y方向(豎直向上)是應(yīng)該約束的(此處假設(shè)車輪及軸為剛體),其次由于軌道與輪緣的相互作用,z方向(側(cè)向)也應(yīng)該是約束的,然后由于走行裝置在向下的壓力下會(huì)產(chǎn)生沿x方向(運(yùn)行方向)的位移,因此x方向約束應(yīng)放開,但是如果10對(duì)軸孔中心x方向的約束全放開則會(huì)導(dǎo)致約束不全無(wú)法計(jì)算,因此應(yīng)在1軸孔或10軸孔中心處施加x方向的約束,這樣實(shí)現(xiàn)全自由度約束。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)軌道約束

圖2是一個(gè)翻車機(jī)模型,該結(jié)構(gòu)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng),托輥支撐,2個(gè)端環(huán)在軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)翻卸功能。

結(jié)構(gòu)靜力分析邊界條件施加方法與技巧+學(xué)習(xí)資料圖片2

圖2 翻車機(jī)

由于翻車機(jī)托輥支撐端環(huán),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)不斷地翻轉(zhuǎn)卸車,造成其約束位置方向不斷變化,針對(duì)一個(gè)具體翻轉(zhuǎn)角度,翻車機(jī)端環(huán)在與托輥接觸處(線接觸)應(yīng)約束沿翻車機(jī)端環(huán)徑向,另外,由于翻車機(jī)在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生沿翻車機(jī)軸向的位移,所以兩端環(huán)中要約束一個(gè)端環(huán)的軸向自由度。

3 對(duì)稱面約束

圖3是某鋼水罐模型,該模型關(guān)于y-z面對(duì)稱,下面介紹一下該結(jié)構(gòu)的約束處理。

圖3 鋼水罐

首先在1處由于受到鋼水罐起吊裝置的限制,其豎直方向y及水方向z無(wú)法變形,應(yīng)施加z方向及y方向的約束,而x方向是沒(méi)有約束的,此時(shí)因缺少約束無(wú)法計(jì)算,應(yīng)注意到該結(jié)構(gòu)(包括載荷與約束)關(guān)于y-z面對(duì)稱,因此在y方向自重影響下其變形必關(guān)于y-z面對(duì)稱,即y-z面與結(jié)構(gòu)相交處x方向變形為0,因此可選擇該相交處約束x方向(如圖3中的2處),這樣結(jié)構(gòu)整體6個(gè)方向自由度全部約束,可進(jìn)行計(jì)算。

總之,在實(shí)際分析中首先要將模型合理地簡(jiǎn)化,然后根據(jù)具體情況施加約束還原實(shí)際情況并滿足計(jì)算條件。

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