【数字揭秘】如何使用Altair Inspire™实现圣诞树安全固定？

又到了一年一度圣诞季，各大商场都铆足了劲地装饰一新，圣诞树更是成了每家力争心意的主要元素。而如何让圣诞树安全直立于地面，是一项极为艰巨的任务。

今天Altair应用工程师Evan Brennan将带我们一起去看看，他是如何做到将高4-5米，重达300多斤的圣诞树安全固定住的。

每年感恩节之后的周五，我们一家人都会去林场砍伐松树来为圣诞节装饰房屋。

我们砍的树木通常高4-5米，重达300多斤！让这些大树安全地直立着一直是一项艰巨的任务。因为底部的支架强度不足以支撑不稳定的树，有时甚至需要将安全绳绑在楼梯扶手上。

但是今年，我们发现了一个似乎可以完美完成任务的树架！该树架由超过60斤的焊接钢制成，并使用四根大螺纹杆将树固定在适当的位置。

我使用 Altair Inspire™对树架设计进行建模和分析，以此作为树架的基准强度测试。

Brennan家的圣诞树

支架的真实照片与 Altair Inspire CAD 几何图形

Altair Inspire 提供了一个出色的平台，可通过极其友好且易于学习的用户界面快速准确地运行不同的有限元模型。

只需单击一下按钮就可以定义复杂的载荷、约束和接触，这使得测试和运行不同载荷工况变得轻松而有趣。

快速可视化和分析有限元模型的结果，并在同一窗口中调整几何形状或载荷，简化了传统有限元分析的繁琐过程。

实际加载这棵树支架意味着模拟一棵真正的4米多的树会施加在支架上的负载。

这包括树木直落在基座上的重量，更重要的是，树木自然倾翻的瞬间所产生的力矩。该负载通过底座和四个螺钉传递，拧紧后可保持树木稳定。

集中质量通常在FEA中用于对大型/重型对象进行建模，这些对象不需要进行精确建模，但会影响其余模型的行为。

在整个演示过程中，我将使用放置在树木重心附近的集中质量（450斤）和水平重力载荷来模拟树木倾翻的趋势。

该载荷包括两个水平载荷4g（一个平行于一条腿，一个比前者转了45°）和一个垂直下降2g的载荷

约束有限元模型通常是过程中最困难和主观的部分。不同的约束可能导致截然不同的结果，有些约束比其他约束更现实。

Inspire中的支撑可以在所有6个自由度中固定或自由释放，这可以用来形成现实的约束。约束不仅涉及支撑，还涉及零件之间的接触以及发生变形时如何允许它们移动和相互作用。

探索许多不同的约束组合并将结果相互比较是有限元分析流程的重要组成部分，而 Inspire 使其变得轻松有趣。

树架模型中用于支撑和接触的所有6个自由度

大多数 Inspire 用户的最初反应是使用所有6自由度中锁定的支撑来约束所有与地面接触的面。

这是一种易于运行的基线分析，可以检查几何形状和接触是否建模正确，但是显然这不是现实的支持案例，我们将了解其原因。

焊接在一起的表面被指定为粘合（蓝色），而其他表面则被定义为仅接触（绿色），这意味着它们可以彼此分离但不会相交。

平行于撑脚方向的载荷工况

45⁰工况

高应力区域位于直接支撑树的焊接螺母和螺栓中。

虽然该区域很可能是由于薄焊缝而在模型中的薄弱点，但应力也应分配到模型的基座和支腿中，但是基座中间的固定支撑只能使应力通过碗/基地和地面或支持。

腿部没有任何负载，因为模型过分受约束且没有实际作用。我将探索更多的载荷情况和模型迭代，以逼近更实际的载荷和约束。

为了使下一步更接近现实，我将在一张大底板上建模，代表展台，即树所在的房间的地板。

对刚性地板进行建模并使用不同种类的接触件来探索其对模型的影响可能比以前案例中的支撑约束更为实际。

同时，我们将尝试对具有支持约束的相同情况进行建模，并比较两者的结果。

我们正在尝试模拟的是，树木向一侧倾斜，这会抬起支架的一侧，将另一侧推入地面。

我不会锁定模型的所有四只脚，而是只使用平行载荷箱，而使三根与力不受约束的支脚不受约束：这意味着工作表模型中未粘结的触点（红色圆圈）且在模拟物中不受支持。

我将这种运行称为“单脚锁定”。

底板支撑的单脚锁定模型的结果表明，固定在脚上的腿中有很大的位移和应力。这正是我们所预想的，一个很大的载荷集中在撑脚一个小区域内。

此外，我们看到带底板的模型结果和直接约束撑脚的模型的结果非常相似。尽管可以预料到这些结果，但它们仍然不够现实，因为如果不倾斜到单腿的一侧，然后与另一条腿分担负载，树木和支架永远不会造成太大的变形。

因此，更现实的模型将使用45°移位的载荷箱并锁定指向载荷方向的两个支脚，同时解锁模型另一侧的支脚。我还将在任何地方将G负载降低到2g，这样压力和位移就不会那么强烈了。

我将这种模式称为“双重锁定”。

这个模型非常接近如果树开始翻倒时我们期望发生的情况。应力通过与躯干接触的螺栓移动到弯曲的腿中。

剩下的唯一问题是，由于顶部的负载直接施加到侧面，并且基座可以自由抬起，因此基座仍可以从地面抬起。

为了限制这种举升，我看到了两种可能的解决方案：锁定垂直举起的边缘（通过支撑或接触）或将负载向下倾斜30°以模拟树木倒下。

基本边缘支持模型

向下倾斜负载

前两个模型是我要针对正在模拟的场景的实际挠度和应力。

树木倾倒会通过螺栓驱动应力，由于薄焊缝，应力是应力集中的点。尖端方向上的两条腿分担载荷并弯曲，从而在与底座的连接点附近产生高应力。

由于我们调整了约束，因此不会出现不稳定的偏转或抬离地面。所有这些迭代的加载/约束过程都在短短几天内完成，每次运行不到15分钟。

使用Inspire的用户友好界面进行的FEA流程快速，轻松且准确。快速定义复杂载荷，约束和接触的能力无与伦比。