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我們在做靜力學(xué)分析時，有時會遇到這種情況：一個結(jié)構(gòu)，在對其進(jìn)行受力分析時，它是平衡的，但在ANSYS中計算的時候，軟件會報錯，求不出結(jié)果來。比如下圖所示一根桿，兩端受到等值反向共線的力F作用，根據(jù)二力平衡公理，這根桿是平衡的。下面，我們使用ANSYS計算一下這個結(jié)構(gòu)。
在SCDM中建立一個方桿，其橫截面為10mm*10mm的正方形，長度為100mm。回到Workbench，雙擊Model進(jìn)入Mechanical。
默認(rèn)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2mm。
Step3：載荷及邊界條件。
載荷設(shè)置為兩端面受拉，拉力大小為100N。
Step4：求解。
求解過程中首先彈出來一個警告：大體意思是沒有足夠的約束對來防止剛體運動，這可能導(dǎo)致求解出現(xiàn)警告或者錯誤。
緊接著又出現(xiàn)一個警告：大體意思是求解過程中由于病態(tài)矩陣出現(xiàn)了警告或錯誤，可能是由于不合理的材料特性、模型約束不足或接觸相關(guān)問題造成的。
軟件繼續(xù)求解，便出現(xiàn)了錯誤：大體意思是節(jié)點2253的UY自由度上出現(xiàn)了問題，可能是由于不合理的材料特性、模型約束不足或接觸相關(guān)問題造成的。
我們考慮，為什么在2253號節(jié)點上出現(xiàn)了問題了呢？我們的模型在理論力學(xué)上很明顯是處于平衡狀態(tài)的，為什么不能求解呢？筆者分析如下：
1.該模型處在一個三維空間內(nèi)，我們施加兩個力，模型的確在這兩個力的作用下是平衡的，但是此時的模型在空間中處于一種懸浮的狀態(tài)，沒有約束去限制它的運動，只要空間中有一個力，或者某個力偏離了桿的軸線方向，無論這個力有多么小，都會打破這種平衡，從而導(dǎo)致剛體位移。
2.兩端面施加了等值反向共線的力F，軟件在計算過程中，會將力F分配到兩端面的節(jié)點上，分配的過程中難免會有誤差，最終導(dǎo)致在桿的軸線方向上，左右兩端面的力并不平衡，從而導(dǎo)致剛性位移。
這種情況該怎么處理呢？下面介紹兩種方法：
求解前，點擊Analysis Settings，將Solver Controls中的Weak Springs設(shè)置為On，彈簧剛度設(shè)置為Program Controlled，開啟弱彈簧功能。然后求解。
求解過程中出現(xiàn)了一個警告：大體意思是物體可能會產(chǎn)生剛體運動，軟件把弱彈簧加上了。這樣，求解順利完成，觀察求解結(jié)果，應(yīng)力為1MPa，正確。
弱彈簧的作用原理是什么呢？我們觀察Solution Information的Geometry，發(fā)現(xiàn)軟件在端面的節(jié)點上，添加了Spring，分布在端面的8個頂點上，每個頂點3個，來約束每個頂點上節(jié)點的3個自由度。我們觀察Solution Information的Worksheet，發(fā)現(xiàn)求解過程中多了24個彈簧單元Combine14，證實了軟件在計算過程中，自動添加了彈簧單元完成了計算。
在Analysis Settings，我們將彈簧剛度設(shè)置為Program Controlled，軟件會將彈簧剛度設(shè)置為多少呢？我們將結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到ANSYS經(jīng)典，在彈簧單元的實常數(shù)中，我們發(fā)現(xiàn)彈簧單元的剛度為0.00040000000000005N/mm，確實很弱，這樣來說，不僅解決了剛體運動的問題，而且不會對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果造成實質(zhì)的影響。
在Analysis Settings，彈簧剛度設(shè)置方法除了Program Controlled，還有Factor和Mmanual兩種。
Factor：設(shè)置因子。其值等于Program Controlled標(biāo)準(zhǔn)值乘以你在Factor輸入的值。
在本例中，弱彈簧功能（Weak Springs）幫助我們避免了剛體運動，完成了計算，是不是就意味著只要出現(xiàn)了剛體運動，就可以使用弱彈簧功能（Weak Springs）呢？答案是否定的。分析中若使用了弱彈簧，在求解完成以后，我們要插入一個Force Reaction的Probe，用來探測弱彈簧的支反力，以表征這個弱彈簧對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。設(shè)置方法如下：
提取支反力結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，弱彈簧產(chǎn)生的總體支反力僅為1.13e-12N，可以忽略不計，所以，該結(jié)構(gòu)使用弱彈簧是沒有問題的。在此，筆者也提醒一句，
弱彈簧若非必需，則不用，盡量在結(jié)構(gòu)上想辦法來防止剛體位移。
方法二：使用固定約束等效其中的一個力F。
我們知道，如果只看受力，可將該結(jié)構(gòu)等效為下圖所示結(jié)構(gòu)，此時約束一端的支反力依然為F。
我們將
Step3：載荷及邊界條件設(shè)置為一端受拉，一端為固定約束。關(guān)掉弱彈簧，然后求解。
提取應(yīng)力結(jié)果，除固定約束處存在應(yīng)力奇異外，其余位置應(yīng)力依然為1MPa。
至此，本文結(jié)束。
