Simcenter 3D螺栓连接1D连接以及边界条件

Simcenter3D™Pre/Post是一款全面的有限元建模和结果可视化产品，旨在满足有经验的分析师的需求。Pre/Post包括一整套预处理和后处理工具，并支持广泛的产品性能评估解决方案。Pre/Post可用于NX和Simcenter3D。本文针对其螺栓连接1D连接以及边界条件部分内容讲述。

您可以使用一维连接来连接装配有限元文件中的组件，或连接FEM中的多个片体和实体。您还可以使用一维连接来定义蛛网，以对销钉或螺栓进行建模、分布质量、分布载荷或约束，或者为柔性体分析定义连接点。您可以选择：

• 1D 连接器创建的弹性或刚性元素类型。

• 在几何图形之间（例如，将边连接到面）或 FE单元（如两个节点之间）之间创建一维连接。

图1 一维连接

可以使用点对点（基于几何）和节点到节点（基于FE）连接器将一个主体或组件FEM上的节点或点连接到另一个主体或组件FEM上的节点或点。这些连接类型的典型用途包括：

• 对结构（如销钉、螺栓或支柱）进行建模。

• 创建用于分配质量或载荷的蜘蛛元素。

• 当边缘到边缘或边缘到面连接不合适时连接网格。例如，您可以使用节点到节点连接来连接没有基础几何体的导入网格。

一对一连接

选择单个源节点或点以及单个目标节点或点，然后单击“应用”或“确定”时，软件将生成指定类型的单个元素。此方法通常与结构一维图元一起使用，用于对结构（如销钉、螺栓或支柱）进行建模。

图2-1一对一连接

一对多连接

如果选择单个源节点或点以及多个目标节点或点（反之亦然），并且指定刚性或约束元素类型（如NastranRBE2s 或RBE3），则软件将创建一个蜘蛛元素。单个源节点是核心节点，多个目标节点是分支节点。

图2-1一对多连接

在“一维连接”对话框中，创建节点到节点连接时，可以使用“连接方法”列表中的“邻近蜘蛛”选项，根据分支节点与核心节点的相对接近度，在核心节点和分支节点之间创建蜘蛛类型约束元素连接。

• 使用“选择核心节点和支腿节点”选项，可以在核心节点已存在的孔中创建一个或多个连接元素。选择核心节点和腿节点并指定搜索距离。该软件在每个核心节点和位于指定搜索距离内的腿部节点之间创建蜘蛛连接元素。

• 如果同一个分支节点位于多个核心节点的搜索距离内，则该节点可以连接到这些核心节点。

• 如果软件在搜索距离内找不到任何分支节点，则不会为该核心节点创建蜘蛛元素。

• 使用“仅选择支腿节点”选项可在核心节点尚不存在的孔中创建单个连接元素。软件通过计算腿节点的平均位置来确定核心节点的位置。例如，可以使用此选项创建一个蜘蛛元素，其中支腿节点位于定义孔的元素的自由边上：

图3-1选则支腿节点

图3-2软件生成蜘蛛网1D连接

使用Nastran求解器时，RBE2和RBE3元素的行为不同：

• RBE2 — 单核节点（独立节点）的活动自由度强制执行支腿节点（从属）的活动自由度。因此，RBE2 元素中包含的所有节点的活动自由度被视为刚性连接。

图4-1 1独立节点 2从属节点

• RBE3 — 腿节点（独立节点）的活动自由度的加权平均值强制执行单个核心节点（从属）的活动自由度。此权重设置为 1，无法使用此软件进行更改;所有节点对运动的贡献均等。与RBE2不同，RBE3元件是柔性的（不是无限刚性的），因为腿部节点允许自由。此单元类型的常见用途包括添加和分配质量而不增加刚度，以及将载荷从多个点分布到单个点。

图4-2 1从属节点 2独立节点

• 重依赖关系，当两个元素共享一个依赖节点时，会发生双重依赖关系。如果模型包含双重依赖关系，则求解器可能无法正确解析模型中的自由度。如下图所示：

图4-3RBE2（左）和RBE3（右）元素中的双依赖节点

使用一维连接的一维网格到面，类型将一维网格上的节点连接到所选面上的节点。当您需要将一维晶格网格上的自由节点连接到实体网格面上的节点时，此选项很有用。

软件将所选节点沿法线投影到指定的面上。

• 如果投影节点位于面之外，但在此容差值内，软件将使用该节点创建指定类型的连接元素。

• 如果投影节点位于面之外且超出此容差值，则 软件不会使用该节点创建指定类型的连接元素。

图5-1相邻主体表面上的一维晶格网格和2D网格

图5-21D 杆单元将晶格网格上的节点连接到相邻主体上的2D网格中的节点

使用“螺栓连接”命令对以下类型的有限元螺栓连接进行建模：

• 用螺母固定到位的螺栓。

• 螺纹（螺纹）孔中的螺栓。

• 螺栓型连接，仅由两个配接体之间的连接平面上的蜘蛛单元表示。

图6-1螺栓连接

图6-2带螺母效果

图6-3沉孔效果

还可以将螺栓的柄建模为零长度弹簧元件，而不是梁单元。如果要直接定义螺栓连接处的刚度并使力恢复更简单，则可能需要使用弹簧单元对螺栓进行建模。求解模型时，可以提取弹簧位置处的力或力矩。但是，如果需要对螺栓施加预载荷，则必须使用梁单元对螺栓的刀柄进行建模。在“螺栓连接”对话框中，选择“使用弹簧元素将头部连接到螺母”或“使用弹簧元素连接头部到丝锥”选项，以使用零长度弹簧元素而不是梁元素对螺栓的柄进行建模。如果使用弹簧单元对螺栓的柄进行建模，则软件会在主体的中间创建两个重合的节点，并在这些实体上定义头部和螺母或头部和丝锥。该软件使用零长度弹簧元件连接两个节点。这两个节点是两个蜘蛛型连接元素的核心节点。

• 对于螺栓头部的蜘蛛连接，支腿连接到指定头部接触表面上头部直径内的所有节点。

• 对于螺栓螺母的蜘蛛形连接，支腿连接到指定螺母接触表面上螺母直径内的所有节点。

• 对于螺纹曲面的蜘蛛连接，支腿连接到位于指定有效螺纹长度内的螺纹孔长度上的所有节点。

下图显示了使用弹簧元件建模的头部和螺母之间的螺栓示例。

• （A） 显示由零长度弹簧元件连接的两个重合节点的位置。此处显示的节点之间的距离在这里被夸大了，仅用于说明目的。

• （B）显示螺栓侧蜘蛛元件的腿节点与头部直径内的节点之间的连接。

• （C）显示螺母侧蜘蛛元件的腿节点与螺母直径内的节点之间的连接。

图7-1使用弹簧单元对螺栓杆建模

载荷、约束和仿真对象都被视为边界条件。仿真导航器提供了用于创建、编辑和显示边界条件的工具。您还可以使用“主页”选项卡上的图标创建边界条件→载荷和条件“组。

边界条件对话框上显示的选项特定于活动求解及其关联的求解器。

例如，如果活动解决方案使用SimcenterNastran 求解器，则“创建力”对话框会提供特定于SimcenterNastran FORCE 卡的选项。

可以在创建解决方案之前或之后创建边界条件：

• 如果首先创建解决方案，则载荷、约束和模拟对象将存储在模拟中各自的容器中：加载容器、约束容器和模拟对象容器。还可以将它们分配给这些容器中的文件夹。新的边界条件和文件夹将自动添加到活动解决方案或步骤中。

• 如果先创建载荷、约束和模拟对象，它们将存储在模拟中各自的容器中。然后，您可以将各个边界条件或文件夹拖放到创建的解决方案中

边界条件可应用于几何图形（边、面、顶点、点）和FEM对象（节点、元素、元素面和元素边）。特别是，基于FEM的边界条件对于没有基础几何体的导入网格、几何图形未定义的位置以及在抽象过程中移除小边和面的区域非常有用。对于许多边界条件，您可以使用字段或表达式来定义边界条件的大小如何随时间、温度或频率而变化，以及边界条件的大小在几何图形或FEM对象上如何进行空间分布。有关详细信息，请参阅使用字段和表达式定义边界条件。

您可以从源模拟导入边界条件，以便在另一个模拟中重复使用。有关导入建模对象的详细信息，请参阅导入仿真实体。

图8-1边界条件