张老师：固定支撑约束在有限元计算中的注意事项（附直播教程）
作者 | 张老师 仿真秀优秀讲师
导读：固定支撑是在结构有限元中，大家最常用的一种约束条件了。如图1所示给出了设置固定支撑操作的方法。
图1 设置固定支撑操作方法
固定支撑约束，可以应用在点，线和面特征上。固定支撑表示被约束为位置为刚性，但是在现实工程结构中，根本不存在完全刚性的约束，因此固定支撑约束是一种理想约束。在实际计算中，用户应该注意以下几点：
一、固定约束附近的应力不准确，不能作为产品强度评估的依据，这个理论依据是圣维南原理，其实固定约束是一种等效约束，它会约束附近的应力有显著影响，但是远离约束位置的应力时可信的。
如图2给出了拉伸载荷作用下的轴的有限元计算模型，该模型的截面积1.2503e-005m^2,轴力为10N，则轴向应力7.99e5Pa。
图2 拉伸载荷作用下的轴的有限元计算模型
图3给出了轴向应力云图，通过计算结果发现，固定约束位置的应力明显大于理论解答，而远离固定支撑的位置与理论解基本一致，大约为7.96e5Pa，但是目前固定支撑约束的影响范围，目前还无法通过理论确定，因此在工程应用中，需要进行数据对比确定合理的计算结果。
图3 轴向应力云图
二、固定支撑约束附近不要进行网格细化，因为随着网格细化，固定支撑约束位置的应力是奇异的。
如图4给出了多次细化后的轴向应力云图，由图可知，细化后，固定支撑约束位置的应力迅速上升。
图4 多次细化后的轴向应力云图
图5 节点数量与最大应力关系曲线
图5给出了节点数量与最大应力关系的曲线，由曲线可知，最大应力即固定支撑约束位置的应力，随着网格细化，应力值迅速上升，表现为应力奇异，再由图4可知，这种影响只存在固定支撑约束附近，远离固定支撑约束位置的应力与理论解还是一致的。所以如果，直接使用细化网格后的固定支撑约束位置的应力对结构进行强度评价，显然就是错误的，因为有限元计算得到应力解，在某些位置上，有时是虚假的，不能直接使用。
三、固定支撑约束避免在热应力计算中直接使用，否则会在固定支撑约束位置，造成错误过大的热应力。
通过以上分析可知，要想将有限元软件应用到实际的产品设计和优化中，除了掌握软件的基本操作外，用户更需要积累和消化的是力学理论，否则就极有可能造成将错误的计算结果应用到产品设计中。
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(完)
作者张老师 仿真秀专栏作者
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