《有限元仿真实践原理》1D网格划分 (3)
本文摘要（由AI生成）：
本文探讨了有限元分析中刚性单元和紧固件模拟的策略与注意事项。刚性单元简化约束方程输入，但不当使用易高估结构刚度，尤其是在紧固件模拟中。网络研讨会提供了RBE和MPC单元使用指导，以避免常见错误。紧固件模拟涉及复杂非线性行为，需细致处理，如点焊采用刚体和共节点模拟，避免求解器奇异问题；角焊缝模拟需关注长宽比和应力准确性。铆钉和螺栓模拟需考虑连接面滑动行为及预载荷影响，预载荷可通过热收缩或施加相反力模拟。本文强调了正确理解和应用这些概念的重要性，以确保分析结果准确可靠。
Rigid单元
Rigid单元被设计用来简化约束方程常用配置的输入。他们不是结构单元，而是定义自由度之间相互关系的方程。rigid单元任一方面不正确的配置都会导致大范围的输入错误，所以要小心使用它们。自然界中并没有完全刚性的材料，rigid单元通常是结构的简化表达形式。总而言之，一个rigid是一个约束方程，或者是一个以下格式的约束方程的集 合：
A1u1 + A2 u2 + A3 u3 ...= 0；
这里A = 常数，u = 自由度。通常，一个自由度依赖于其它所有的自由度。
RBAR单元
RBAR“单元”把1到6个从动自由度刚性连接至6个主动自由度。这6个主动自由度必须能够描述单元的刚体属性。
如果刚性单元太长或与结构长度相当，并且与结构强烈耦合，很有可能会增大结构刚度。这时使用结构单元简化表达形式会更好。使用刚性单元模拟紧固件，比如螺栓，通常会导致连接处刚度偏大。使用beam单元模拟螺栓不仅是一个更好的表达形式，还允许轻松输出力。
正确应用刚性“单元”
相对于你研究的结构来说，当一个结构的部分很硬并且很轻，这种情况就可以使用刚性单元。比如一个发动机通过软性的支架连接至车架。如果发动机的变形对车架影响很小，那么发动机就可以被认为是刚性的。
刚性单元也适合用来模拟机械装置，比如结构中的一个铰链。这时，两个节点放置在相同的位置，并且仅把耦合的自由度约束在一起。实际上，这种零长度的刚性单元是刚性单元的一种非常重要的应用。下图描述一个铰链。
使用零长度的刚性单元模拟铰链
RBE和MPC单元的网络研讨会
我们录制了一个网络研讨会关于怎样使用RBE和MPC单元。同时讨论了可能的错误以及它们对结果的影响。另外，给出建议以避免出现这些错误。
紧固件
使用有限元方法模拟紧固件和焊接是一个值得商榷的步骤。
紧固件连接周围的细节是复杂的，并且通常表现出非线性。最好的方法是能够指明连接件的好和坏。使用当前的标准方法对紧固件性能进行“绝对”评估是极其困难的。下面章节将会讨论各种连接的建模方法。
点焊
点焊连接通常用于相对较薄的钣金件之间，比如用于车身设计的钣金件。使用刚体和共节点（对于很薄的零件）模拟点焊。必须小心保证每个刚体单元都垂直于它连接的面。请注意某些求解器中缺少“钻孔”自由度，将会允许焊接在结构的平面处旋转，导致矩阵奇异。自动消除奇异通常会忽略与刚体单元连接的节点，所以需要手工增加约束或在单元法向增加一个软的旋转弹簧。这种方法有时被认为是虚拟的“钻孔”刚度选项。
如果使用梁单元代替刚体单元，奇异将被发现并自动消除。使用梁单元模拟点焊的第二个好处是能够轻松恢复焊接中的力。只要长度不为零，一个直径近似为点焊尺寸且材料属性相同的圆形梁就行。下图说明了一种典型模拟点焊的形式。
点焊建模
在两个焊点之间，至少要空开一个节点，以保证被焊接件之间的相对运动。如果相邻的点焊之间没有自由度，那么实际上这就是一个连续的缝焊。可以把从这种模型中提取的力与类似的焊接实验数据进行比较，以决定焊接的数量和位置是否合适。
角焊缝
角焊缝通常发生在大尺寸的板或冲压件之间。如果零件是用壳单元建模的，那这种焊接就可以通过连接壳单元高效地建模。请注意避免过分的长宽比。应力结果不会很准确，但是可以给出一个相对的名义值。
非常规几何形状的焊接太复杂而不能使用有限元方法模拟。
可以把名义值与试验结果进行对标，或者使用材料缺口敏感度表格按比例增加。下图显示这种建模方法。
角缝焊建模
使用类似点焊的刚性单元模拟角缝焊也是常见的。
铆钉和螺栓
为了使用线性算法模拟铆钉或者螺栓，我们必须假设连接面之间不会相互滑动或一直都可以相互滑动。大部分情况是假设头部不会滑动，但是连接面的接触面允许滑动。这个假设要求紧固件承载连接面之间所有的剪切载荷（保守的假设），并且连接处没有撬力（通常是非保守假设）。连接最好设计成在最大载荷下没有滑动。这个可以这样来检查，查看剪切力的合力，并把它与打算安装的拉力乘以一个保守的（较低的）摩擦系数相比较。这些方法需要应用基本的工程准则，并且答案不会由有限元方法给出。
预载荷连接
为了较好地模拟连接中的预载荷，必须要考虑紧固件轴向的刚度。通常这需要至少在连接区域使用细化的体网格建模。紧固件仍然可以使用梁单元建模，或者也可以使用体单元表达。然后预载荷可以通过紧固件热收缩施加，或者在紧固件上施加大小相等方向相反的力。在初次运行以决定紧固件的刚度比例之后，热或反力需要被调整以取得想要的预载荷。通常这些细节不是必须的，因为在螺栓紧固和承载时的滑动，以及撬力通常是忽略不计的。如果需要研究连接的细节，可能需要使用非线性算法。现在的求解器允许自动施加力或强制位移作为预载荷。
