必看！一文搞清楚：惯性释放和弱弹簧

    结构在自由状态下进行静力分析。如飞行器在天空飞行、船舶在海洋航行、大型结构件的吊装过程等。对于这类问题，常规的静力分析是无法完成的，需要一些特殊处理。

    自由状态下的结构静力分析为什么需要特殊处理？！

    从物理原理来看，自由状态下的力平衡只能表示结构不存在加速度，但刚体 位移是不确定的，因此结构的位移解不唯一。需要引入额外的约束条件，消除刚体自由度，进而确保位移解的唯一性。

01 导读

    ANSYS提供了两种方法来成功完成自由状态下的结构静力分析：

    1）惯性释放；

    2）弱弹簧；

02 惯性释放的仿真实例

    惯性释放(inertia relief)用结构的惯性力来平衡外力。程序首先计算在外力作用下每个节点的加速度，然后根据加速度计算惯性力，再施加到每个节点上，从而构造了一个平衡的力系。由此可知，打开惯性释放后，惯性力平衡了外力，用不到约束反力，所以约束反力会为零(接近零)。

    案例如下。左侧为关闭惯性释放，右侧为打开惯性释放。

03 惯性释放的官方说明

    查阅ANSYS官方帮助文档。

    惯性释放(仅用于线性静力学分析)。

    计算加速度以平衡施加的载荷。结构上的位移约束应仅为防止刚体运动所必需的（3D结构为6个）。约束点处的约束反力为零。加速度根据单元质量矩阵和施加的力来计算。必须输入计算质量（如密度）所需的数据。计算平移加速度和旋转加速度。

    要求

    惯性释放特性的使用要求如下：

    此选项仅适用于线性静态结构分析。非线性、在节点坐标系中操作的单元以及轴对称或广义平面应变单元是不允许的。

    不推荐同时具有二维和三维单元类型或具有对称边界约束的模型。像往常一样输入负载。位移和应力照常计算。

    对称模型不适用于惯性释放分析。

    如果“惯性释放”特性设置为“启用”，则链接到静态结构分析的任何分析都无效。这包括链接到以下分析类型的静态结构分析：预应力模态；特征值屈曲；预应力完全法谐响应；预应力模态叠加法谐响应；预应力模态叠加法瞬态；预应力反应谱；预应力随机振动。

04 惯性释放的注意事项

    惯性释放可以较好处理自由状态下的结构静力分析，但需要说明几点：

    1）必须引入位移边界条件，消除刚度矩阵的奇异性，通常约束设置在一个集中的局部区域，但约束反力会为零；

    2）整体的惯性载荷不用施加，惯性释放会自动施加上去；

    3）引入的位移边界条件对结构应力结果影响很小，可以直接进行强度校核；

    4）引入的位移边界条件对结构的相对变形影响很小，但对结构的位移结果有影响。

05 弱弹簧的仿真实例

    当结构由于数值原因产生微小的不平衡力，弱弹簧(weak spring)会引入额外的弹簧力来取得平衡，从而构造了一个平衡的力系。

    案例如下。左侧为关闭弱弹簧，右侧为弱弹簧起作用。

06 弱弹簧的官方说明

    查阅ANSYS官方帮助文档。

    对于应力模拟，如热应力或压配建模，添加弱弹簧可以通过防止数值不稳定来获得求解结果，同时对现实工程载荷没有影响。弱弹簧的选项如下：

    程序控制：由程序确定弱弹簧是否会起作用，根据需要，增加一个标准的弱弹簧刚度值。

    打开：程序会添加弱弹簧。可以使用程序自选的标准刚度值，或者输入一个自定义的值。

    关闭(程序默认)：程序默认弱弹簧不起作用。

    a.标准的弱弹簧刚度值可能会产生太弱的弹簧，以至于无法求解，或者出现太大的刚体运动。

    b.你可能会判定标准的弱弹簧刚度值过高（罕见情况）。

    c.你可能想改变弱弹簧刚度值以改变对模拟的影响。

07 弱弹簧的注意事项

    弱弹簧可以较好处理自由状态下的结构静力分析，但需要说明几点：

    1）弱弹簧只能用来平衡结构由于数值原因产生的微小不平衡力，不能用于平衡物理上的不平衡力；

    2）程序自选的弱弹簧刚度一般比较合适，很少需要自定义刚度；

    3）弱弹簧对结构的应力结果和相对变形结果影响很小；