ANSYS实用功能详解（一）——弱弹簧

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了在ANSYS中进行静力学分析时，如何解决结构在理论上平衡，但在计算过程中出现刚体运动或病态矩阵等问题。文章提供了两种解决方法：弱弹簧Weak Springs和固定约束等效其中一个力F。弱弹簧的作用原理是在端面的节点上添加弹簧，约束节点的自由度，避免刚体运动。固定约束等效其中一个力F是将结构等效为另一结构，将一端受拉改为一端固定约束，从而避免刚体运动。这两种方法都可以解决刚体运动问题，但使用弱弹簧时，需要插入Force Reaction的Probe来探测弱弹簧的支反力，以表征弱弹簧对结构产生的影响。在结构上想办法来防止刚体位移是更好的选择。

我们在做静力学分析时，有时会遇到这种情况：一个结构，在对其进行受力分析时，它是平衡的，但在ANSYS中计算的时候，软件会报错，求不出结果来。比如下图所示一根杆，两端受到等值反向共线的力F作用，根据二力平衡公理，这根杆是平衡的。下面，我们使用ANSYS计算一下这个结构。

Step1：建立模型。

在SCDM中建立一个方杆，其横截面为10mm*10mm的正方形，长度为100mm。回到Workbench，双击Model进入Mechanical。

Step2：网格划分。

默认网格划分，网格尺寸为2mm。

Step3：载荷及边界条件。

载荷设置为两端面受拉，拉力大小为100N。

Step4：求解。

求解过程中首先弹出来一个警告：大体意思是没有足够的约束对来防止刚体运动，这可能导致求解出现警告或者错误。

紧接着又出现一个警告：大体意思是求解过程中由于病态矩阵出现了警告或错误，可能是由于不合理的材料特性、模型约束不足或接触相关问题造成的。

软件继续求解，便出现了错误：大体意思是节点2253的UY自由度上出现了问题，可能是由于不合理的材料特性、模型约束不足或接触相关问题造成的。

我们考虑，为什么在2253号节点上出现了问题了呢？我们的模型在理论力学上很明显是处于平衡状态的，为什么不能求解呢？笔者分析如下：

1.该模型处在一个三维空间内，我们施加两个力，模型的确在这两个力的作用下是平衡的，但是此时的模型在空间中处于一种悬浮的状态，没有约束去限制它的运动，只要空间中有一个力，或者某个力偏离了杆的轴线方向，无论这个力有多么小，都会打破这种平衡，从而导致刚体位移。

2.两端面施加了等值反向共线的力F，软件在计算过程中，会将力F分配到两端面的节点上，分配的过程中难免会有误差，最终导致在杆的轴线方向上，左右两端面的力并不平衡，从而导致刚性位移。

这种情况该怎么处理呢？下面介绍两种方法：

方法一：弱弹簧Weak Springs。

求解前，点击Analysis Settings，将Solver Controls中的Weak Springs设置为On，弹簧刚度设置为Program Controlled，开启弱弹簧功能。然后求解。

求解过程中出现了一个警告：大体意思是物体可能会产生刚体运动，软件把弱弹簧加上了。这样，求解顺利完成，观察求解结果，应力为1MPa，正确。

弱弹簧的作用原理是什么呢？我们观察Solution Information的Geometry，发现软件在端面的节点上，添加了Spring，分布在端面的8个顶点上，每个顶点3个，来约束每个顶点上节点的3个自由度。我们观察Solution Information的Worksheet，发现求解过程中多了24个弹簧单元Combine14，证实了软件在计算过程中，自动添加了弹簧单元完成了计算。

在Analysis Settings，我们将弹簧刚度设置为Program Controlled，软件会将弹簧刚度设置为多少呢？我们将结构导入到ANSYS经典，在弹簧单元的实常数中，我们发现弹簧单元的刚度为0.00040000000000005N/mm，确实很弱，这样来说，不仅解决了刚体运动的问题，而且不会对结构的应力应变结果造成实质的影响。

在Analysis Settings，弹簧刚度设置方法除了Program Controlled，还有Factor和Mmanual两种。

Factor：设置因子。其值等于Program Controlled标准值乘以你在Factor输入的值。

Mmanual：直接输入刚度值。

在本例中，弱弹簧功能（Weak Springs）帮助我们避免了刚体运动，完成了计算，是不是就意味着只要出现了刚体运动，就可以使用弱弹簧功能（Weak Springs）呢？答案是否定的。分析中若使用了弱弹簧，在求解完成以后，我们要插入一个Force Reaction的Probe，用来探测弱弹簧的支反力，以表征这个弱弹簧对结构产生的影响。设置方法如下：