殊途同归-基于力学概念验证workbench两项软件功能

导读：在开展仿真分析工作时，力学理论犹如不可或缺的基石，发挥着极为关键的指导作用。从建模阶段来看，深厚的理论知识能够为整个建模过程提供清晰且准确的指引。它帮助我们精准把握模型构建的关键要素，依据力学原理合理确定模型的结构、参数以及边界条件等，使构建出的模型能够最大程度地贴合实际物理场景，为后续的分析工作筑牢坚实基础。

而在完成仿真计算之后，力学理论的价值同样不容小觑。它成为检验仿真结果正确性的重要标尺，通过与理论预期进行细致比对，我们可以判断结果是否合理。同时，理论知识还可用于验证所使用软件功能的可靠性，倘若仿真结果与理论严重背离，除了检查模型本身，还需审视软件在算法实现、数值计算等方面是否存在问题。此外，对于分析模型的有效性评估，力学理论也是核心依据，只有基于可靠理论构建的模型，其分析结果才具备可信度与参考价值。

尚晓江/孟志华等编著

接下来，为大家呈现一个极具代表性的案例。在此次实践中，笔者运用了两种截然不同的建模方法。经过一系列严谨的操作与深入的分析，最终均成功得到了与力学理论高度一致的正确解答，充分彰显了力学理论在仿真分析全流程中的重要意义与强大效能 。

一、利用转动Joint模拟框架结构中的铰接节点

在ANSYS Workbench中，Beam之间铰接节点的设置可以通过向Connections目录下添加BTB Revolute Joint来实现，如下图所示：

下面以一个具体问题为例，对Revolute Joint的作用进行验证。

如下图所示的框架，包括横梁和短柱，横梁长度5m，柱高度3m，横截面均为0.2m×0.3m。横梁左端和柱底端为固端，在横梁的固端施加一个1.5°的顺时针转动（绕Y轴），计算结构的变形和横梁左端的反力矩。

分别考虑如下两种情况：

情况1：梁、柱之间刚性连接

情况2：梁右端在框架平面内为铰接

按照结构力学的知识，梁固端的反力矩应当介于3iθ和4iθ之间。当梁柱刚性连接时，梁固端反力矩应当低于4iθ；当梁柱之间铰接时，考虑到柱的轴线方向刚度较大，因此梁的固端反力矩约为3iθ。

代入相关数据，可计算得到梁的固端反力矩的理论取值范围大约在1.41×10^9Nmm到1.88×10^9Nmm之间。

1、刚性连接的计算

在ANSYS Workbench中进行计算，得到梁柱之间刚接条件下的框架变形如下图所示：

由上述的变形图可知，梁柱刚接条件下两者在梁柱节点处的转动是一致的，此时梁的固端反力矩如下图所示：

上述计算结果表明，RMY=1.692×10^9Nmm且1.41×10^9Nmm <RMY <1.88×10^9Nmm，与理论计算得到的取值范围一致。

2、铰接的计算

为了计算梁柱节点铰接的情形，在Connections分支下添加一个Revolute Joint对象，并设置梁（组件1）的右端点和柱（组件2）的上端点为作用对象，如下图所示。同时注意设置References Coordinate System的Z轴为垂直于框架所在平面的方向。

在ANSYS Workbench中进行计算，得到梁柱之间铰接条件下的框架变形如下图所示：

由变形图可知，梁柱铰接节点处两者的转动是独立的。此时梁的固端反力矩如下图所示：

上述计算结果表明，RMY=1.409×10^9Nmm，与铰接条件下梁的固端反力矩的理论数值一致。其实，这类问题也可以通过Beam端部转动自由度的释放（End Release）来实现。

二、在Beam分析中End Release的验证

在ANSYS Workbench中，Beam端的铰接设置可以通过向Connections目录下添加End Release来实现，如下图所示：

下面以一个具体问题为例，对End Release的作用进行验证。

如下图所示的框架，包括横梁和短柱，横梁长度5m，柱高度3m，横截面均为0.2m×0.3m。横梁左端和柱底端为固端，在横梁的固端施加一个1.5°的顺时针转动（绕Y轴），计算结构的变形和横梁左端的反力矩。

分别考虑如下两种情况：

情况1：梁、柱之间刚性连接

情况2：梁右端在框架平面内为铰接

按照结构力学的知识，梁固端的反力矩应当介于3iθ和4iθ之间。当梁柱刚性连接时，梁固端反力矩略低于4iθ；当梁柱之间铰接时，考虑到柱的轴线方向刚度较大，因此梁的固端反力矩约为3iθ。代入相关数据，可计算得到梁的固端反力矩的取值范围大约在1.41×10^9Nmm到1.88×10^9Nmm之间。

在ANSYS Workbench中进行计算，得到梁柱之间刚接条件下的框架变形如下图所示：

由上述的变形图可知，梁柱刚接条件下两者在梁柱节点处的转动是一致的，此时梁的固端反力矩如下图所示：

上述计算结果表明，RMY=1.692×10^9Nmm且1.41×109Nmm <RMY <1.88×10^9Nmm，与理论范围一致。

为了计算梁柱节点铰接的情形，在Connections分支下添加一个End Release对象，并设置梁的右端点和梁所在的边为作用对象，如下图所示。

在ANSYS Workbench中进行计算，得到梁柱之间铰接条件下的框架变形如下图所示：

由变形图可知，梁柱铰接节点处两者的转动是独立的。此时梁的固端反力矩如下图所示：

上述计算结果表明，RMY=1.409×10^9Nmm，与铰接条件下梁的固端反力矩的理论数值一致。

三、科研创新中的力学与仿真公开课

3月9日20时（20时），2025科研创新仿真 主题月第五期我们将邀请仿真秀金牌讲师尚晓江博士做《科研创新中的力学与仿真一有限元分析技术的理论与实践》，介绍结构仿真分析的方法论、学习力学才不会枯燥，讲解力学如何指导仿真分析和用户学习有限元技术的若干细节。

以下是本期具体安排

2025科研创新仿真（五）：科研创新中的力学与仿真一有限元分析技术的理论与实践-仿真秀直播

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来源：仿真秀App