耦合自由度在模拟各种连接时大有用途,但须注意应用事项。尤其是节点运动关系(或变形关系),不符合实际运动关系的自由度耦合,会导致隐性错误,这在复杂模型中要足够重视。
一、认识自由度与耦合自由度所谓自由度就是某个节点的某个方向的平动位移或转动位移,如梁单元BEAM18x每个节点有六个或七个自由度,即UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ或WARP。
耦合自由度就是强迫两个或多个自由度“相等”,耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个从自由度,只有主自由度保存在矩阵方程中,而其它从自由度则从方程中删除,故耦合自由度实际上是降低了平衡方程的个数。耦合自由度可以模拟刚接、铰接、销接、滑动接触等运动。
耦合自由度命令主要有CP和CPINTF,格式如下:
其中:Lab为拟耦合的自由度标识符,对结构分析可用的有:UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ或ALL。NODE1~NODE17为节点号,第1个节点为主节点,其余为从节点号,也可为ALL(节点选择集中的所有节点号)。TOLER为判定节点是否重合的误差,缺省为0.0001。
二、耦合自由度应用的注意事项耦合自由度时要注意的有:
(1)耦合集中的节点号不能重复,负节点号表示从耦合集中删除该节点。
(2)同一自由度只能出现在一个耦合集中,否则会出现错误。
(3)减缩分析中,只有主自由度(MDOF)可在耦合集中且为主节点的自由度。
(4)显式动力分析,仅仅UX、UY、UZ自由度可耦合,转动自由度不能耦合。
(5)CP耦合集中的节点不必是重合的,也不必是位于同一线上,它们可以是任意的。CPINTF则根据重合容差,自动把交界面上的节点的某个自由度耦合,即重合节点耦合自由度。
(6)只能在主自由度上(主节点不够严谨)施加荷载,不能在从自由度上施加荷载。
(7)自由度当然均基于节点坐标系而言的,因此耦合时谨慎旋转节点坐标系。
(8)虽然可任意强迫某些自由度相等,但不重合或不当的自由度耦合可能会导致“伪力矩(artificial moment) ”,也可能会导致错误的结果。
三、BEAM189单元不当自由度耦合例1:BEAM189单元不当自由度耦合导致错误。在复杂模型中,不恰当或错误的自由度耦合,会导致错误,并且该错误比较隐蔽难以发觉。但在简单模型中,很容易从不合理的结果中发觉错误。如图1所示的悬臂梁,假定界面在物理上完全“粘接”在一起,用BEAM18x单元独立建模,然后耦合自由度,分析其变形和应力。
图1是正确的耦合方式和结果,粘接区段沿着轴向有多个节点,将对应的节点“一对一”耦合所有自由度度(每个节点6个),“粘接”区段上下梁变形协调,结果正确。
图2是错误的耦合方式和结果。之所以错误,是因为按命令流中的耦合方式,那些节点的自由度都相等,形成了不能转动的刚体。从弯矩云图看出明显存在错误,这种受力的悬臂梁中间任何部位不可能出现弯矩为零。从CPLIST可以看出,是强迫一群节点的自由度相等,也就是粘接区段的节点位移全部等同一个节点,运动关系或变形关系错误,当然结果也不正确。需要注意的是,ANSYS不会检查耦合的自由度是否正确,它只管去按你的要求去计算。
四、SOLID186单元不当自由度耦合例2:SOLID186单元不当自由度耦合导致错误。同上参数,采用CPINTF实现正确耦合,错误的耦合方式如命令流中。从位移云图可以看出,与例1结果吻合很好。
上述两个例子均为比较根部截面应力,此悬念留作后文讨论。
耦合自由度在模拟各种连接时大有用途,但须注意应用事项。尤其是节点运动关系(或变形关系),不符合实际运动关系的自由度耦合,会导致隐性错误,这在复杂模型中要足够重视。
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