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弹簧的位置和受拉方向问题

  弹簧的位置和受拉方向问题
 
  问题描述:对面对象指定简单的面弹簧(连接单元可用于模拟复杂的非线性面弹簧)时,对话框中的弹簧位置及弹簧受拉方向两个选项的具体含义是什么呢?对于模拟弹性地基的单压弹簧,又该如何实现呢?
 
  解答:首先,在程序内部的计算过程中,面弹簧将转换为线弹簧参与计算。关于这方面的更多内容,可参阅本知识库的另一篇文档《面弹簧的基本原理》。对于简单的面弹簧,其力学性能可分为三种:拉压;单拉;单压。这里需要强调的是,考虑单拉或单压弹簧的荷载工况必须定义为非线性工况!否则,程序将视其为拉压弹簧而进行线性分析。
 
弹簧
 
  为了解释弹簧位置及弹簧受拉方向两个选项,我们可以将每个弹簧视为两节点单元:起始节点i为地面,终止节点j为面对象所包含的节点,起点至终点(i→j)的方向即弹簧受拉方向。由于模型中只有面对象所包含的一个节点(或者说,起点和终点重合),故需要用户明确指明受拉方向。
 
  弹簧位置:面单元根据其组成节点的编号顺序及右手法则自动定义若干个面,用于指定荷载或相关属性(如面弹簧)。根据面单元的节点数量(三节点或四节点),程序将确定5个或6个面,包括:3个或4个侧面以及2个平面(top和bottom),具体如下图所示。因此,程序将根据以上5个或6个面确定弹簧位置,即终点j的位置。由此可见,面弹簧不仅可以在面单元的平面上指定,也可以在侧面上指定。对于在侧面上指定的面弹簧,其弹簧刚度与厚度的乘积可视为线弹簧刚度。
 
  弹簧受拉方向:在弹簧的终点由弹簧位置确定后,其起点则由弹簧受拉方向确定。定义矢量(i→j)的基本方法包括以下三种:
 
  1.参考面对象的局部轴
 
  2.参考弹簧位置的外法线方向
 
  3.直接指定矢量(i→j)
 
  方法1和方法3比较容易理解,前者可视为后者的快捷方式。而对于方法2,用户需要选择内/外:内即指向单元内部,对应的起点i位于单元外部;外即指向单元外部,对应的起点i位于单元内部。具体来讲,位于top面的面弹簧,内即与局部3轴指向相反,外则与局部3轴相同;位于bottom面的面弹簧,恰恰相反。事实上,对于拉压弹簧,内/外选项对分析结果并无影响。但对于单拉或单压弹簧必须谨慎指定,否则容易造成结构的约束不足而引起非线性分析不收敛。
 
  综上,对于下图所示的模拟弹性地基的单压弹簧,我们可以采用以下方式指定面弹簧:
 
  单压+底面+内法线或局部+3轴或全局向量(0,0,1)
 
  单压+顶面+外法线或局部+3轴或全局向量(0,0,1)
 
  当然,也可以采用比较另类的方式:
 
  单拉+底部+外法线或局部-3轴或方向向量(0,0,-1)
 
  单拉+顶部+内法线或局部-3轴或方向向量(0,0,-1)
 
  虽然后两种方式的物理概念不清晰且容易混淆,但从力学分析的角度讲,完全可以得到和前两种方式相同的分析结果。
 
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