Ansys Workbench Mechanical 中的惯性释放静态分析

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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。

来源：ABAQUS仿真世界

《Mechanics of Solid Polymers》3.3.2-3.4失效模式

3.3.2 失效建模在设计零件时，最明显的标准可能是，它在预期寿命内的正常使用中不应发生失效。在这里，失效被定义为材料失效或因新材料表面和部分的生成而发生的断裂。失效是断裂和破裂的统称，其中破裂是一种特殊的失效模式，失效通过局部变薄直到一点发生，见图3.8。断裂和破裂都可以在单调加载或循环加载下发生。请注意，破裂是一种较为罕见的事件，只在最具延展性的聚合物中出现。失效可能由不同的机制引起，并且有不同的类型；例如，单调过载、循环疲劳或磨损。对于聚合物，失效也常常是机械负载和环境暴露导致的材料降解的结合。这种机械负载和材料降解的组合通常被称为环境应力开裂（ESC）。以下示例说明了常见失效场景的分析。示例：水过滤器的失效聚合物组件的失效通常可以归因于以下一个或多个原因：材料选择；零件设计；制造工艺；以及服役/环境条件。这个例子说明了因材料选择和零件设计的结合而导致的失效。这次失效的组件是一个水净化系统。水过滤器由进水口、装有净化剂的水箱和出水口组成。在这个案例中，水过滤器经常因为连接头从水箱上断裂而失效。连接头底部的螺纹区域由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成。通过检查断裂零件的断裂表面，很明显断裂的起始点是连接头顶部的螺纹。为了研究失效模式，创建了一个二维轴对称有限元模型来评估连接头的应力水平，如图3.9所示。图3.9 在装配状态下，连接头和水箱之间的内部O型圈发生严重变形图3.10展示了连接头在装配状态下的应力云图。该图显示在塑料头部的螺纹附近存在应力集中。最大Mises应力达到了聚合物屈服应力的65%。应力分析的结论是，材料本身没有缺陷，设计需要修改以减少应力，或者应该使用不同的材料。图3.10 装配状态下连接器头部的Mises应力云图示例：波纹管的失效在一家化工厂中，用于输送三氧化硫(SO3)的波纹聚四氟乙烯(PTFE)软管出现了故障。软管的外层由编织不锈钢制成，内部衬有波纹PTFE衬里。随着时间的推移，一小部分SO3通过PTFE衬里渗透到承载负载的不锈钢编织层，因与SO3和外部水的相互作用逐渐腐蚀。最终，在一个区域，所有的不锈钢都被腐蚀掉了，轴向载荷和内压直接作用在PTFE衬里上。在不锈钢被腐蚀掉的区域，PTFE衬里无法承受施加的载荷而破裂，导致SO3泄漏，并引发了环境问题。为了更好地了解故障事件以及发生故障时的内压，进行了有限元分析（FEA）。图3.11和3.12展示了该分析的两个结果示例。图3.11显示了软管横截面的变形形状，以及最大主应力的等值线。在该模拟中，施加的温度为100°C，内压为120 kPa，结果显示在负载施加后1秒的情况。图3.12显示了相同载荷情境的结果，但本例中的结果是在施加载荷后60秒时的结果。显然，衬垫在这个温度和施加的压力下经历了较大的粘塑性变形。另外，还要注意，最大应力的位置随着时间的推移从内表面转移到外表面。图3.11 最大主应力的云图（以MPa为单位）T = 100 ◦C, P = 120 kPa, F = 0 N, t=1 s图3.12 最大主应力的云图：T = 100 ◦C, P = 120 kPa, F = 0 N, t= 60 s3.4 练习题聚合物和金属之间有哪些关键区别？有限元模拟所需的三种输入类型是什么？显式和隐式有限元模拟之间有哪些关键区别？何时适合进行隐式模拟，何时适合进行显式模拟？解释材料模型和本构模型之间的区别。聚合物组件可能失效的四个最常见原因是什么？来源：ABAQUS仿真世界