WorkBench中的Joint连接简介

CAE无剑

22小时前浏览20

在WorkBench中，最常用的连接关系是接触（Contacts），首次进入Mechanical界面时，系统会自动创建接触，但是Joint需要用户手动创建，这里简单介绍一下Joint。

1. Joint的原理及软件实现

原理：
Joint通过参考坐标系（Reference Coordinate System）和移动坐标系（Mobile Coordinate System）定义两个体的相对运动关系。每个Joint类型（如Revolute、Spherical、Slot等）对应不同的自由度约束。例如：

Revolute Joint：仅允许绕单一轴旋转（1个旋转自由度）。
Spherical Joint：允许绕三个轴旋转（3个旋转自由度）。
Fixed Joint：完全固定，无自由度。

软件实现：
Joint的内部实现涉及以下关键步骤：

坐标系对齐：参考坐标系（参考体）和移动坐标系（移动体）需通过几何选择或远程附着（Remote Attachment）定位。
自由度约束：根据Joint类型自动锁定或释放特定平移/旋转自由度，例如Revolute Joint会固定所有平移自由度，仅释放绕轴旋转。
数值求解：通过有限元方法或刚体动力学求解器处理约束方程，计算运动响应。

2. 创建Joint时的关键设置

(1) Definition（定义）

连接类型：

Body-Ground：将体固定到地面（全局坐标系）。
Body-Body：连接两个体，允许相对运动。

类型：选择Joint的具体类型（如Revolute、Screw、Radial Gap等），决定自由度约束。
物理参数：如扭转刚度（Torsional Stiffness）、阻尼（Damping）、摩擦系数（Friction Coefficient）等，用于定义弹性或摩擦行为。

(2) 参考面（Reference）与移动面（Mobile）

参考面：

基准坐标系所在的几何面或体（通常为固定侧），需指定坐标系和行为（刚性或变形体）。

移动面：

相对于参考面运动的几何面或体，需指定应用范围（如一个面）、初始位置及行为。

远程附着（Remote Attachment） ：允许通过几何外的点或坐标系定义连接，避免直接选择复杂几何。

(3) Stop（止动）

功能：限制Joint的运动范围，防止超出物理允许的位移或角度。例如：

旋转止动：设置最大角度（angle_max）和恢复系数（restitution_factor），限制旋转范围。
径向止动：定义内/外直径和高度，约束平移运动。

应用场景：用于模拟机械间隙（如轴承游隙）或避免过约束系统的数值不稳定。

3. 刚体（Rigid）与变形体（Deformable）的区别

刚体（Rigid）：

行为：体在运动中不发生形变，所有节点运动完全一致。
适用场景：简化计算，适用于大位移但无需应力分析的场景（如机构运动仿真）。
限制：无法计算应力/应变，仅支持运动学或刚体动力学分析。

变形体（Deformable）：

行为：体在载荷作用下发生弹性或塑性变形，自由度由材料属性决定。
适用场景：需详细应力/应变分析的场景（如结构强度验证）。
限制：计算成本较高，需更精细的网格划分。

4. 其他

冗余分析（Redundancy Analysis） ：检查Joint是否导致过约束，避免模型无法求解。
自由度检查器（Joint DOF Checker） ：验证Joint的自由度数是否合理（>0），避免模型锁死。
自动创建Joint：可通过几何特征（如圆柱面）自动识别Revolute或Fixed Joint，减少手动设置。

来源：CAE中学生

WB技术展示案例27：具有非线性网格自适应性的热轧结构钢分析

1.案例描述热轧是发生在材料再结晶温度以上的金属成形过程。存在许多类型的热轧工艺，包括结构形状轧制，其中组件通过轧辊以达到所需的形状和横截面。结构钢是最常见的热轧材料。常用的结构钢形状有工字钢、H型钢、T型钢、U形梁、槽钢等。工字梁截面为工字形截面。截面的水平单元称为翼缘，竖向单元称为腹板。热轧过程包括非稳态和稳态两个主要阶段。热轧过程的开始和结束代表非稳态阶段，其余过程代表稳态阶段。在非稳态阶段，坯料(矩形钢棒)与辊子接触，并在通过辊子之前填充辊子之间的间隙。当坯料开始通过轧辊运动时，认为该过程处于稳定状态，直到坯料端面与轧辊接触。虽然瞬态分析经常用于模拟热轧过程，但当动态效应不重要或瞬态分析可能需要过多的资源时，通常首选静态分析。这个例子说明了如何通过静态分析来模拟热轧过程的非稳态和稳态阶段。静态分析分2个载荷步进行：第1步建立轧制过程，第2步进行热轧。在第一个载荷步中，坯料向刚性辊子移动，以与辊子建立接触并填充辊子之间的间隙。为了建立轧制过程，坯料应部分填充辊子之间的间隙，以便当辊子开始旋转时，它们可以通过摩擦将坯料拉入。在第二个载荷步中，辊子将坯料拉入并最终将矩形坯料成形为I型截面块。矩形块通过一组滚子来获得I形梁，如下图所示：使用两种类型的轧辊：顶部和底部轧辊水平圆柱形轧辊从顶部和底部拉伸坯料以增加其宽度并减小深度。这些轧辊用于控制工字形截面的法兰部分宽度，并通过刚性目标元素进行建模。侧面轧辊垂直圆柱形轧辊，两端带有小圆角。圆角的作用是确保材料流动顺畅。侧面轧辊从两侧拉伸坯料以形成工字形截面，并控制工字形腹板部分的宽度。与顶部和底部轧辊类似，侧面轧辊也通过刚性目标元素建模。下面的图形表示该问题关于两个平面( XZ和YZ)对称：为了减少建模和计算时间，只分析了模型的四分之一。该模拟通过两个载荷步静态进行，其中非线性自适应区域作用于块体。在第一个载荷步中，块体被移向刚性滚轮以建立轧制过程。在第二个载荷步中，块体继续移动，以模拟由滚轮实施的热轧工艺。当块体通过滚轮时，由于滚轮与块体之间的高摩擦作用，会发生显著变形。最终，整个块体通过滚轮形成工字形截面。然而，在此类大变形问题中，网格畸变现象较为常见，可能导致收敛困难甚至分析终止。2.模型及创建分析模块创建静力学分析模块模型的几何结构由三个体组成：块体、顶部滚轮和侧部滚轮，均通过Design Modeler创建。其中，块体为实体，滚轮为具有0.01米厚度的表面体。下图显示了所有三个体的尺寸。注意块体顶面两端均设有小圆角。这些圆角有助于与顶部滚轮建立接触。若缺少圆角，块体的尖锐棱角会导致局部应力奇异性，从而使分析发散。基于结构的对称性，模拟中仅包含模型的四分之一。块体采用双线性各向同性硬化材料模型，顶部滚轮和侧部滚轮则被建模为刚体，厚度为10mm。3.材料参数上滚轮和侧滚轮的材料为结构钢。块体使用弹塑性行为的结构钢2，复制一个结构钢，然后添加双线性硬化，然后设置屈服强度为70MPa，切线模量为2000MPa。4.接触选择Block右侧6个面作为接触面，选择上滚轮作为目标面，target shell face设置为top，摩擦系数设置0.6mm，behavior选择asymmetric。选择Block右侧3个面作为接触面，选择下滚轮3个面作为目标面，target shell face设置为top，摩擦系数设置0.6mm，behavior选择asymmetric。5.Mesh选择block，添加method，选择Tetrahedrons选择block，添加sizing,size选择100选择下滚轮，添加sizing,size选择50选择下滚轮，添加sizing,size选择506.边界条件仿真分2个载荷步进行。6.1 Analysis Setting2个载荷步的具体设置具体如下：6.2 工况设置添加displacement，选择block上表面，第一步移动1500，第二步移动6000添加Remote Displacement，选择上滚轮，Z轴转动自由，其余设置0.添加Remote Displacement，选择上滚轮，Y轴转动自由，其余设置0.添加Nonlinear Adaptive Region，选择Block,criterion选择Mesh,Check At选择Specified Recurrence Rate，Value设置为10。7.查看结果小结非线性自适应区域适用于因单元畸变导致收敛困难或精度不足的非线性问题。该功能也可用于大变形虽小但仍需通过网格自适应来更精确捕捉物理现象并提升求解精度的场景。使用非线性自适应区域条件时，需在分析设置的输出控制类别中，将存储结果时间点（Store Results At）属性设置为所有时间点（All Time Points）。非线性自适应区域条件不可与弱弹簧（Weak Springs，COMBIN14单元）同时使用。若要在分析中使用非线性自适应区域，必须将接触对象属性中的行为（Behavior）设置为对称（Symmetric）或非对称（Asymmetric）。来源：CAE中学生