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有限元计算中的应力奇异问题及处理方法(二)

上一篇有限元计算中的应力奇异问题及处理方法(一)中为各位读者讲解了应力奇异的特征,产生原因和位置,本篇将根据不同的情况,来讲解如何处理应力奇异问题。
1-直角位置的应力奇异处理方法

由于实际产品不存在完全理想的直角过度特征,在工艺上都会进行圆角处理,因此对于最大应力确实发生在直角位置,为了获得该位置的较为准确的应力,就必须按照产品的实际工艺,在计算模型中,把直角修改为圆角,该方法可以消除这里问题的应力奇异性。

图1 网格加密过程中最大等效应力与加密次数关系

图2 网格加密后的等效应力云图

注意:圆角的尺寸特征会影响到最后的应力结果,因此圆角的具体尺寸要按照实际产品的工艺要求设置。

2-加载位置与约束位置应力奇异处理方法
对于这种情况,如果用户关心或者真实最大应力不在加载位置和约束位置,则可以使用圣维南原理获得远离加载位置和约束位置的准确结果。圣维南原理:分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的荷载所引起的物体中的应力,在离荷载作用区稍远的地方,基本上只同荷载的合力和合力矩有关;荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布,简单点说,就是靠近加载和约束位置的应力不准确,但是远离这些位置的应力是准确的。用户要避免在点、线特征使用Force载荷条件。
图3 圣维南原理示意图

这里再提出一个问题,如果最大应力就是发生在约束位置附近,怎么办?如果是这种情况,则需要建立完整的计算模型,例如悬臂梁模型,在承受端部向下的载荷作用下,最大应力就发生在靠近约束位置,实际工程中,不存在理想的悬臂梁模型,即模型的一端是fix约束,该模型实际中应该是和其他模型有联系的,但是计算建模时,就建立了悬臂梁。如图4到7给出了计算结果对比。

图4 悬臂梁计算模型

图5 悬臂梁等效应力云图

图6 完整悬臂梁模型

图7 完整悬臂梁等效应力云图

3-绑定连接应力奇异处理方法

对于该问题,首先要求确定绑定连接是否为符合产品的实际连接条件。例如螺栓连接中的螺帽与连接件表面的接触,按照实际情况应该设置为摩擦接触,但是用户为了提供其计算收敛速度,就改为绑定,这就导致该位置计算得到应力不准确。

图8 螺栓连接结构

如果用户使用绑定连接方法,去实现不同单元类型的连接,则需要选择合理的连接约束方式,来避免连接位置的应力异常。如图9给出了连接位置处理方式对应力结果的影响,通过对比,左侧图中的连接位置应力是异常的,由于模型中存在几何干涉,而在设置中没有忽律干涉,则导致了连接位置的应力奇异,正确做法是忽律这个几何干涉,就可以得到右图中的正确解答。

图9 连接位置处理方式对应力结果的影响

后记:对于应力奇异,实际产品是不存在的,而与应力奇异有相似之处的应力集中问题,确实产品中实际存在的,而应力集中会导致产品的强度下降,寿命降低,如何理解应力集中,减少应力集中影响,关于这个问题,会在本公众号后面择机发布深度解析文章,欢迎读者持续关注。

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