结构有限元分析中的刚体与动力学

现代有限元仿真常含有多个结构体，当结构体有很强的刚度，且不是主要模拟对象时，我们会将这些结构体看作是刚体。计算时，也无需考虑其内部应力应变分布，可以节约大量的计算资源。分析中，这些刚体可以是静止或是运动的，对变形体产生接触力，这种方式更接近真实物理工况，在大型工程仿真中有着大量的应用。同时，随着元宇宙Metaverse的兴起，刚体有限元也会有更多的应用。

仿真中可以定义为刚体的结构类型很多。如汽车碰撞仿真中的障碍物，钣金件压铸成型中的模具，高速冲击中的冲击物，密封系统中的金属固件，跌落分析中的硬质地面等等，可以说在工程仿真，尤其是瞬态结构分析中，刚体的应用相当广泛。目前，WELSIM已经支持了刚体的定义，并进行显式动力学的求解计算。

结构仿真中定义刚体有很多优势：

1. 减少计算量。

刚体不再需要计算其内部应力应变，仅需考虑表面网格的移动或转动状况，因此节约大量计算资源。

2. 简化前处理过程。

刚体无需考虑材料、板壳单元的积分点等属性，可以减少前处理时需要考虑的物理因素。

3. 减轻后处理负荷。

在后处理中，对于刚体可以做简化处理。只需要显示出刚体的位移和旋转，无需显示应力应变等力学属性。

结合这些优点，现代结构有限元仿真中，有大量的刚体与变形体结合的分析案例，在能得到符合物理真实情况的结果同时，又能简化计算，减少计算资源，快速得到计算结果。

含有刚体的接触分析

刚体往往涉及大量的接触分析。尽管刚体和变形体计算方式不一样，但接触算法上基本一致。WELSIM中定义含有刚体的接触对与不含刚体的接触对方法是一样的。值得注意的是，根据算法的不同，有的求解器可能倾向于将刚体定义为被动接触面，用节点表示，将变形体定义为主动接触面，用单元表面表示。

WELSIM中设置刚体

WELSIM提供了快速定义刚体的方式，用户只需要在几何体的属性窗口中，将Rigid Body属性从默认的False设置为True即可。在后续的计算与处理中，此几何体都将看作是刚体。

当结构体定义为刚体时，WELSIM会在有限元网格的基础上增加一个额外的节点，用于表达当前结构体的质心。同时施加的边界条件，在转化为求解器文件时，都会施加在这个质心节点上。由于已经被定义为刚体，原本的网格单元在计算时会被忽略。仅在含有接触计算时，会考虑刚体的表面网格。

WELSIM已经在2023R2中增加了对于刚体的设置，同时支持了OpenRadioss求解器中刚体定义。以后的版本中不断完善对刚体的支持。

WelSim与作者不隶属于OpenRadioss团队，和OpenRadioss开发者没有直接关系。这里引用OpenRadioss等项目仅用作技术博客文章与软件使用的参考。