Ansys Workbench Mechanical 中的惯性释放静态分析

实际例子 |惯性释放

        一个示例有助于解释带有惯性释放的静态分析。考虑一个具有质量的结构，以及超过其重量的垂直载荷，在没有垂直方向约束的情况下，全局刚度矩阵是奇异的，并且不存在解。

        如果有足够的约束来防止垂直运动，则应用垂直约束的地方将会产生很强的反作用力。

        在瞬态分析中，在没有垂直约束的情况下，结构将通过重量与施加的垂直力之间的力差加速，并且结构在瞬态分析期间会移动和振动。

FEA 模型中的惯性释放

        Inertia Relief 使 FEA 模型能够精确平衡静态分析中的力差（施加的力减去重量）与整个结构上的加速度体力，从而使垂直约束的反作用力为零。根据所施加的力相对于重心的位置和方向，X、Y 和 Z 上可能存在加速度，以及绕 X、Y 和 Z 的旋转加速度。

        在分析此类结构期间，惯性释放要求正确表示质量，应用足够的约束以防止自由体平移和旋转，施加载荷，并请求惯性释放。必须满足其他条件。Ansys 在求解过程中使用 IRLF 命令。

机械模型中的惯性释放

        在 Workbench Mechanical 界面中，如果请求静态分析，分析设置里应开启 Inertia Relief，如图 2 所示。使用 Inertia Relief 假定满足模型中的限定条件：

图 2：静态分析中惯性释放的选择

必须考虑来自 ANSYS Help  的以下条件和限制：

惯性释放 – 仅线性静态结构分析

计算加速度以平衡所施加的载荷。结构上的位移约束应该仅为防止刚体运动所必需的约束（对于 3D 结构为 6）。约束点处的反作用力之和为零。加速度根据单元质量矩阵和施加的力计算。必须输入计算质量所需的数据（例如密度）。可以计算平移加速度和旋转加速度。

• 此选项仅适用于线性静态结构分析。

• 不允许存在非线性、在节点坐标系中运行的单元以及轴对称或广义平面应变单元。

• 不建议使用同时具有 2D 和 3D 元素类型或具有对称边界约束的模型。

• 负载可以照常输入，位移和应力照常计算。

• 对称模型对于惯性释放分析无效。

请注意，需要“刚好足够”的约束来防止刚体运动，并且需要模型中的质量。以下示例将描述惯性释放模型的设置。“弱弹簧”应该关闭。

具有惯性释放的静态结构有限元分析模型的建立

如图 1 所示，已创建平面体并使用壳单元进行网格划分。身体上有一个圆形的印记。压力负载已施加到印记上，定向以便它可以抬起身体。重力向下拉。

图 3：施加提升压力的静态结构模型

在图 3 和图 4 中，远程位移已应用于圆形压印边缘，在 X、Y 和 Z 方向上设置为零位移和旋转，并设置为可变形，以便结构可以局部变形。如下文进一步提到的，顶点处的约束可能是首选。

图 4：防止刚体运动的远程位移 – 6 个自由度受到约束

作为后处理过程中的检查，如图 5 所示，测量了力反作用力和力矩反作用力，发现它们几乎为零，正如惯性释放时应该发生的那样。

图 5：测量远程位移处的力和力矩反作用

结构的偏转呈现预期的形式，如图 6 所示。结构在中心被拉起，被重力下拉，并被所施加的惯性释放加速度下拉，以使净施加的力匹配用于提供惯性释放的惯性加速度。

图 6：Y 方向的变形

在载荷步求解结束时，输出文本列表提供有关惯性释放平移加速度和旋转加速度的信息，这些信息可平衡模型，以便不存在反作用力：

********* 总负载摘要 *********
  X 轴 Y 轴 Z 轴

质心力……………… 0.80779E-26 10.189 0.96935E-26

关于起源的时刻………………….-0.57601E-06 0.10340E-24-0.44384E-07

关于质心的矩…………..-0.76797E-06 0.10340E-24-0.40969E-07

********* 惯性缓解摘要 *********
  X 轴 Y 轴 Z 轴

惯性消除平移加速度 0.12250E-21 0.15452E+06 0.14701E-21

惯性释放旋转加速度…-0.38801E-04 0.13836E-23-0.74542E-06

****************************************************

************** 已完成 LS 1 的求解 **************

此示例在除 Y 轴之外的所有方向上的加速度几乎为零，因为所施加的压力集中在模型上。加速度是平衡所施加的载荷的加速度，这样在阻止刚体运动的约束下就不应该有反作用力。如果响应中没有振动，它们是在瞬态分析中看到的加速度。力反作用力几乎为零，如图 7 所示：

图 7：远程位移上的力反作用力几乎为零

还应对力矩反应进行检查，如图 8 所示：

图 8：远程位移处的力矩反作用力几乎为零

反作用力为零，因为惯性释放加速度正在平衡所施加的载荷。

替代约束|带惯性消除的静态分析

可以使用阻止刚体运动的替代约束，如图 9 所示，其中在三个顶点处阻止 UY，在两个顶点处阻止 UX，在一个顶点处阻止 UZ：

图 9：防止刚体运动的约束的替代选择 - 涉及三个顶点

        约束支反力几乎为零，并且位移结果相似但不相同。在图 10 中，垂直位移范围在 0.0 到 0.027502mm 之间，而在图 6 中，范围在 -0.025613 到 0.0020924 之间。净位移的差异可能是由于影响壳体旋转的远程偏转造成的。 一般来说，约束顶点可能是首选。

图 10：在 3 个角顶点处有约束的垂直位移

产生的应力相同，如图 11 所示：

图 11：采用不同方法防止刚体运动的相同应力

结论 

•  当满足某些条件时，Ansys Workbench Mechanical 支持静态结构分析中的惯性消除；

• 用户必须在静态结构环境的分析设置中打开惯性释放，并提供足够的约束以防止 X、Y、Z、ROTX、ROTY 和 ROTZ 中的刚体运动；

• 分析结果约束处的反作用力应为零，输出文本列表将报告力不平衡所暗示的结构加速度。