基于ABAQUS和Optistruct汽车结构惯性释放分析详解

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了惯性释放的概念、原理以及在不同软件中进行惯性释放分析的操作演示。惯性释放允许对完全无约束的结构进行静力分析，通过在结构上施加一个虚假的约束反力来保证结构上合力的平衡。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束。本文采用Abaqus和Optistruct软件进行了控制臂的惯性释放分析，并比较了两种方法的结果。

导读：惯性释放是允许对完全无约束的结构进行静力分析。通常我们做线性静力分析需要保证结构没有刚体 位移，否则求解器没有办法计算。但是很多分析，例如飞机在飞行时，轮船在航行（物体整体具有加速度）时，要想计算结构上的应力分布，需要采用惯性释放(inertia relief)，在结构上施加一个虚假的约束反力来保证结构上合力的平衡。

简单地说就是用结构的惯性（质量）力来平衡外力。尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。

针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动。本文采用不同软件进行惯性释放分析以及详细流程的操作演示。

一、分析模型

1、分析模型的建立，分析模型包括控制臂及中心连接单元rbe2等，在转向节球铰处受到Fx=1e5N，Fz=3e5N载荷。

图1 某控制臂模型

二、采用abaqus进行控制臂的惯性释放分析

1、载荷设置

2、边界设置，定义惯性释放，操作如下：

3、工况设置，包括定义分析类型及结果输出，操作如下：

4、导出INP，并提交计算，可以采用bat批处理，或Abaqus中的job提交等

5、结果读取，包括位移及应力等

• 位移读取，加载点位移为0.5498mm

• Mises应力读取，具体读取方法和注意细节如下：

（1）Result Type中带v后缀的表示结果类型为矢量（vector）形式，如位移、速度和加速度等，如结果中的Displacement(v)和UR-Rotational displacement(v)，由于是矢量可以选择在分析坐标系或全局坐标下读取。

（2）带t后缀的表示结果类型为张量（tensor）形式，如应力张量、应变张量等；张量结果被转换成全局坐标系下，主要是在OBD中使用标量结果和变换矩阵，即结果类型中标有Global的，如S-Global-Stress components(t)和S-Global-Stress components IP(t)，该结果可以在单元坐标系、分析坐标系或全局坐标系下读取。

（3）带s后缀的表示结果类型为标量（scalar）形式，分量和不变量直接从ODB文件中读取；由于是标量形式，结果读取形式无法选择，通常是材料或单元局部坐标系下。

（4）带c后缀的表示结果类型为复数（comples）形式；

（5）带IP（Intergration points）后缀的表示结果在积分点结果；

（6）不带IP（Intergration points）后缀的表示结果依赖于输出请求；

小结：

（1）若模型中没有特别定义单元坐标系，即采用默认设置输出，此时以下三个划线的应力结果是一样的，而且在单元坐标系、分析坐标系以及全局坐标系下结果也是一样的，默认是在单元坐标下的结果；

（2）Mises应力结果中S-Stress-components(IP)即积分点处的应力值和上述三个划线应力不一样，会略偏大，即偏完全，这也是在Hyperview中读取Abaqus结果时常采用的。

三个划线结果：1197.014MPa，而S-Stress-components(IP)结果为1438.522MPa。

• 应力结果输出时，可以选择Integration Points、Centrodial和Nodes，即为积分点、中心点以及节点结果，若采用默认，即Position不勾选，会输出积分点结果。

结果类型如下：

三、采用Optistruct进行控制臂的惯性释放分析

方法一，采用INREL=-2

1、建立载荷，操作如下

2、分析卡片设置，INREL=-2

3、分析结果读取，加载点最大位移0.539mm，最大Mises应力为1157.436MPa。

四、采用Optistruct进行控制臂的惯性释放分析

方法二，采用INREL=-1，由于suport或suport1进行定义，其目的是用来定义虚约束，同时一个刚体只可以定义6个虚线束，且实体只能定义123自由度。

1、如建立如下载荷，操作如下

2、分析卡片设置，INREL=-1

3、分析结果读取，加载点最大位移0.648mm，最大Mises应力为1157.436MPa。

4、如采用以下约束，则加载点最大位移1.126mm，最大Mises应力为1157.436MPa。 

小结：在optistruct中采用INREL进行惯性释放分析，可以采用-1和-2，只是-1需要采用suport或suport1进行虚约束，两者Mises应力一致，位移与约束点位置有关。第一种方法（INREL=-1）需要手动suport或suport1位置，称为手动惯性释放方法，第二种方法（INREL=-2）是软件自动选择suport或suport1位置，称为自动惯性释放方法。自动惯性释放方法中不需要规定suport或suport1位置，参考结构的约束并动态地分配给所有质量点，在结构分析应用较为广泛。

五、总结

对于约束难以确定或受力无明显约束，如转向横拉杆等二力杆，此时可以采用惯性释放方法进行分析；采用不同的软件都可以得到其分析结果，软件不同，结果会有所差异，但不影响对工程的评判和结构优化。如果有不当，欢迎批评指正，欢迎大家关注我在仿真秀平台NVH专栏。