热设计丨TEC热电制冷器（一）

1 前言本文基于使用Workbench进行结构有限元仿真分析，对约束边界条件设置类型、选择依据、如何合理使用，进行简单说明，争取读完这篇内容后，不再为约束边界条件选择而迷茫。Workbench对工程师非常友好，极其容易上手，离谱的设置也出分析结果，成熟的机械工程师更愿意相信自己手动公式计算的结果，却不愿意相信结构有限元分析工程师提供的分析结果，在方案报告中又会要详细的仿真分析结果。来一个虚构的却一直在真实发生的情景。 机械设计工程师：*工，能解释一下你的分析结果吗？结构有限元工程师：软件算出来的就是这结果。软件作为背锅侠，表示这锅我不能背。建议不要轻易把锅甩给仿真仿真分析软件，除非你对软件的理论模型有充分的认识和理解...2 理论知识准备 基于机械设计、理论力学、材料力学等学科知识，理解一下约束边界条件。2.1 自由度约束的本质是限制自由度。在笛卡尔坐标下，每个刚体有3个平移自由度（TX、TY、TZ）和3个旋转自由度（RX、RY、RZ）。在非继承性的新结构设计时，缺少可借鉴的经验数据，没有可参照的结构模型，进行结构有限元分析时，草率的约束边界条件设置，注定得到不靠谱的分析结果。这种情况下，根据自由度考虑和分析问题，更具备逻辑性。依据自由度方式思考问题，对于大多数人来说是十分困难的，但其益处是对结构在机械和热负荷性能预测和理解更全面，此外，定位装置的绝对精度也会大大提高。自由度方式思考问题如此好，那我肯定会试试，然而现实情况却事与愿违。尝试过自由度方式分析镜片面型，这部分并没有走通...（怎么形容呢，通了又没通，如果有时间写sigfit使用教程会展开详细写一下）2.2 自由体与非自由体 自由体：位移不受限制的物体，比如飞机、导弹、热气球...非自由体：位移受到限制的，这类物体在空间的运动受到与其接触的其他物体的限制，使其沿某方向不能运动，比如行驶的汽车、桌子上的水杯、连线的风筝...绝大多数的仿真分析，结构都是非自由体。 2.3 常见约束限制非自由体运动的周围物体，称为该非自由体的约束。 2.3.1 柔性约束（1）定义限制物体沿柔性体中心线离开柔性体的运动，而不限制其他方向的运动。柔性体性质决定结构仅能受到拉力。（2）方向方向沿着绳索方向，背向被约束的物体。（3）作用点作用点在柔性体与连接件的接触点。（4）工程应用柔性绳索、皮带传动、链条传动等构成的约束都是柔性约束。2.3.2 光滑面约束（1）定义 不计摩擦的光滑平面/曲面构成的对物体运动的限制。（2）方向沿接触处的公法线并指向受力物体。 （3）作用点光滑接触约束对非自由体的约束力作用在接触处。（4）工程应用 齿轮啮合、推力滚针轴承和向心滚子轴承等。2.3.3 光滑铰链约束（1）定义 轴孔配合限制轴在垂直轴线平面内沿任意方向的相对移动，但不限制物体绕轴转动和沿轴的相对滑动。 （2）方向 光滑铰链约束的实质都是轴孔配合问题。在不计摩擦时，轴与孔在接触处为光滑接触，约束方向为在接触点的公法线方向。 （3）作用点 作用点为轴孔的接触点处。注意：① 外界载荷不同时，接触点会变约束力的大小与方向随之改变，方向和作用点是不确定的；② 轴孔配合是一种常见的约束，却是一种过约束。 轴孔配合是宽松的，即轴的尺寸小于孔的尺寸，轴会在孔中左碰右碰。 （4）工程应用 径向轴承（向心轴承）、 光滑圆柱铰链、固定铰链支撑等2.3.4 其他类型约束（1）滚动支座 固定铰支座与光滑固定平面间装有光滑辊轴，限制物体沿支承面发现方向的运动。 （2）球铰链 通过球与球壳将构建连接、构建可绕球心任意方向转动，但构建与球心不能有任何移动。 注意：轴孔接触位置可以确定。（3）止推轴承 比径向轴承多一个轴向约束力。3 Workbench提供约束类型 3.1约束条件作用 在静力学分析中，边界条件是起到约束限定作用，而载荷条件是激发结构变形的原因。 载荷影响了结构的变形/应力变化程度，现在静力学中（线性）载荷的增加/减少，结构的变形/应力呈比例增加/减少。约束条件的变化，会导致分析结果发生巨大变化，不合理的边界条件设置，可能会导致求解出现问题。合理的约束边界设置，可以使用截断模型获得合理的分析结果。 结构有限元分析原则是关注哪里分析哪里，把握抓大放小的分析思路，对于不关心的部分不用建模，毕竟模型越复杂，前处理工作越巨大。 对于几何模型中不存在的结构，可以通过设置约束条件来定义。 3.2 约束条件类型Workbench静力学分析模块提供7种类型约束边界，如图所示。3.2.1 Fixed固定 点、线、面所有自由度（平移和旋转）均被固定，6个自由度均被限制。即约束实体3个平移，约束面/线3个平移和3和转动自由度。注意：① 固定约束是一种理想的约束条件；② 施加对象位置的刚度非常大；③ 可能会产生应力奇异，约束位置的应力值不能作为判断依据。在热分析时，尤其明显，因此进行热应力分析时，不建议轻易使用固定约束。有限元分析丨热变形和热应力④ 固定约束（Fixed）可以和接触中的绑定接触（Bonded）是一回事。⑤ 固定约束是一种理想的约束，产生无法解决的应力奇异，那么是否可以理解应尽量避免使用固定约束？答案是否定的，对于应力奇异问题可以看一下这篇。有限元分析丨如何避免产生应力奇异举个例子，螺钉连接，严格来说沿着螺孔轴线方向自由度未必限制住，对结构截止分析时，只对整体结构性能分析，不分析螺栓连接局部位置强度，可以直接对螺孔处采用固定约束，这样处理是合理的。但如果存在交变载荷，连接位置强度敏感，需要对连接处螺孔配合进行详细分析。由于内容过多，分上下篇更新，今早先写到这～来源：认真的假装VS假装的认真