弱彈簧的案例
ANSYS WORKBENCH中弱彈簧的含義
總之，當(dāng)ANSYS發(fā)現(xiàn)約束不足（或者施加的外力非常大）時(shí)，為了能夠正確計(jì)算，在必要情況下，它會(huì)添加弱彈簧。這種弱彈簧可以保證計(jì)算收斂，但是對(duì)于應(yīng)力和變形基本不會(huì)有什么影響。如果我們?nèi)∠?em>弱彈簧，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算無法進(jìn)行；如果我們保留該弱彈簧，而把其剛度增加得太大的話，那么相當(dāng)于給系統(tǒng)施加了很硬的彈簧，這相當(dāng)于改變了邊界條件，從而所計(jì)算的結(jié)果是不可行的。
所以，弱彈簧是一種很好的解決方法。當(dāng)系統(tǒng)給出它加了弱彈簧的信息后，我們是需要檢查一下模型，看看有沒有問題。如果沒有問題，那么使用弱彈簧就是合適的選擇。如果有問題，則需要修改模型，不用加弱彈簧自然是最合適的方式。
來源：宋博士的博客，版權(quán)歸作者所有。
展開 【實(shí)用功能】ANSYS中的弱彈簧應(yīng)該怎么用？
在本例中，弱彈簧功能（Weak Springs）幫助我們避免了剛體運(yùn)動(dòng)，完成了計(jì)算，是不是就意味著只要出現(xiàn)了剛體運(yùn)動(dòng)，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(gè)Force Reaction的Probe，用來探測(cè)弱彈簧的支反力，以表征這個(gè)弱彈簧對(duì)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(jì)，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(gè)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(shí)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。
展開 基于workbench吊裝工況下弱彈簧(Weak Springs)的使用方法
在workbench中，常用彈簧單元(桿單元也可以，前者更方便)來模擬吊繩。這里用一個(gè)簡單算例，如下：兩個(gè)物體，上端物體上表面固定，二者之間用四根彈簧邊對(duì)邊相連(或一個(gè)彈簧面對(duì)面)，施加加速度產(chǎn)生向下的體力。
進(jìn)行計(jì)算時(shí)直接報(bào)錯(cuò)(也可能計(jì)算不收斂)如下，該問題經(jīng)常會(huì)遇到，最常見原因就是模型約束不足，產(chǎn)生剛體位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。
這時(shí)需要設(shè)置弱彈簧(Weak Springs)選項(xiàng)，手動(dòng)設(shè)置剛度（如下圖，一般不能太大，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）
這樣便可以計(jì)算了。
檢查弱彈簧上的力值：發(fā)現(xiàn)很小，對(duì)計(jì)算影響可忽略，設(shè)置合理。
檢查固定端的力值：與理論計(jì)算值是相符的。
總結(jié)：吊裝工況中使用彈簧單元模擬吊繩時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)無法計(jì)算或不收斂，大概率是模型約束不足導(dǎo)致的（檢查保證沒有其他問題的），使用彈簧單元時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)此問題，此時(shí)應(yīng)考慮弱彈簧的使用。
展開 ANSYS與材料力學(xué)系列教程之軸向拉伸和壓縮（七）
Step8：打開弱彈簧
。
分析該結(jié)構(gòu)，它在題目所給條件下是平衡的，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，是有未約束的自由度的，計(jì)算過程中可能會(huì)因?yàn)閯傮w位移而報(bào)錯(cuò)，所以我們打開弱彈簧，防止產(chǎn)生剛體位移。點(diǎn)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。弱彈簧的具體使用方法及作用原理見本公眾號(hào)文章《ANSYS實(shí)用功能詳解（一）——弱彈簧》。
Step9：求解及后處理。
該例題我們主要計(jì)算A點(diǎn)和B點(diǎn)的位移。選擇Results→Deformation→Directional（如下圖一），在Details of Directional Deformation中，將Scope中的Geometry選擇為點(diǎn)A，Orientation設(shè)置為Y Axis，表示我們提取A點(diǎn)在Y方向上的位移，如下圖二所示。同樣的方法，插入點(diǎn)B的Directional Deformation。最后右擊Solution（A6），選擇Eevaluate All Results，提取結(jié)果。計(jì)算結(jié)果如下圖三。
筆者在
《
ANSYS實(shí)用功能詳解（一）——弱彈簧
》提到，若使用了弱彈簧，在求解完成以后，我們要插入一個(gè)Force Reaction的Probe，用來探測(cè)弱彈簧的支反力，以表征這個(gè)弱彈簧對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。
展開 
ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析
其中有些不容易理解的，比如弱彈簧效應(yīng)，盡可網(wǎng)上查資料了解，說的很詳細(xì)，很好理解。
慣性釋放工況下拓?fù)鋬?yōu)化方法探討
03拓?fù)鋬?yōu)化分析流程
以集成在ANSYS平臺(tái)為例，在WORKBENCH平臺(tái)調(diào)用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊和GENESIS模塊進(jìn)行有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化分析，流程如下圖：
圖1 拓?fù)鋬?yōu)化流程圖
1）有限元分析：給定的模型為一個(gè)實(shí)體塊，材料默認(rèn)為結(jié)構(gòu)鋼，沿Y方向-677.23N載荷如圖2，在實(shí)體塊的四個(gè)底角施加遠(yuǎn)程質(zhì)量點(diǎn)參數(shù)設(shè)置為453.59Kg，關(guān)閉慣性釋放功能，開啟弱彈簧選項(xiàng)。
圖2 實(shí)體塊
從結(jié)果來看由于是設(shè)置為集中載荷，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，其一側(cè)只有一個(gè)負(fù)荷。負(fù)載從實(shí)體的中心偏移，所以它單獨(dú)不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。后續(xù)GENESIS施加制造約束將用于強(qiáng)制拓?fù)洚a(chǎn)生對(duì)稱支撐。
圖3 有限元分析結(jié)果應(yīng)力云圖
2）拓?fù)鋬?yōu)化分析：采用GENESIS模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域如圖4，其中設(shè)置初始質(zhì)量保留參數(shù)為10%，設(shè)置制造約束為沿YZ面和XY面對(duì)稱。
圖4 拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域設(shè)置
設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)：應(yīng)變能最小（剛度最大），優(yōu)化約束設(shè)置為質(zhì)量保留不高于10%，然后進(jìn)行求解得到基于變密度法的等值面結(jié)果：
圖5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果
根據(jù)分析結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)：雖然沒有設(shè)置約束但是這種狀態(tài)依然可以求解，并沒有出現(xiàn)剛度矩陣奇異的情況，四個(gè)底角約束雖然不是固定約束，但是通過弱彈簧實(shí)現(xiàn)支撐效果，平衡內(nèi)外力，所以并沒有出現(xiàn)剛體位移，完全可以求解。
展開 腳凳工作狀態(tài)靜強(qiáng)度分析
角板處采用BONDED接觸，其他鉸接部分選擇可以切向移動(dòng)的NO SEPRATION（凳子閑置時(shí)是可以合并的）
網(wǎng)格沒有特別考慮，稍微加了一些控制
約束與載荷：
加了地面法向0位移約束，打開弱彈簧控制彌補(bǔ)其他方向缺少約束造成的模型不穩(wěn)定導(dǎo)致求解失敗。（當(dāng)然也可以將其他方向定死，考慮地面的摩擦作用）弱彈簧處力可以查看，僅為2.27E-004N，造成的影響可以忽略)
載荷分兩種情況，單腳踏第一板與雙腳踏第二板，大小當(dāng)然經(jīng)過安全系數(shù)的控制，方向與地面法向相反。如果拿到的模型初始全局坐標(biāo)不與地面平行，可建立局部坐標(biāo)加載，完成后如下圖：
結(jié)果分析：（材料屈服強(qiáng)度35~40MPa,材料PP，即聚丙烯）等效應(yīng)力對(duì)比：
左邊為雙腳踏上板，右邊單腳踏下板。分析結(jié)果表明兩種情況均未能超過材料屈服應(yīng)力。如果需要修改，可將最后一張放大圖MAX處的地方導(dǎo)圓角或者圓角加大。圓角半徑的大小當(dāng)然可以通過DX進(jìn)行優(yōu)化選擇，由于分析要求里沒這個(gè)，我也就懶的做。想學(xué)習(xí)優(yōu)化的同學(xué)可以查看本版其他例子。
等效應(yīng)變趨勢(shì)基本與等效應(yīng)力相同。如下圖。
腳凳工作狀態(tài)靜強(qiáng)度分析 視頻資料.rar
展開 腳凳工作狀態(tài)靜強(qiáng)度分析
角板處采用BONDED接觸，其他鉸接部分選擇可以切向移動(dòng)的NO SEPRATION（凳子閑置時(shí)是可以合并的）
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網(wǎng)格沒有特別考慮，稍微加了一些控制
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約束與載荷：
加了地面法向0位移約束，打開弱彈簧控制彌補(bǔ)其他方向缺少約束造成的模型不穩(wěn)定導(dǎo)致求解失敗。（當(dāng)然也可以將其他方向定死，考慮地面的摩擦作用）弱彈簧處力可以查看，僅為2.27E-004N，造成的影響可以忽略)
載荷分兩種情況，單腳踏第一板與雙腳踏第二板，大小當(dāng)然經(jīng)過安全系數(shù)的控制，方向與地面法向相反。如果拿到的模型初始全局坐標(biāo)不與地面平行，可建立局部坐標(biāo)加載，完成后如下圖：
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結(jié)果分析：（材料屈服強(qiáng)度35~40MPa,材料PP，即聚丙烯）等效應(yīng)力對(duì)比：
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左邊為雙腳踏上板，右邊單腳踏下板。分析結(jié)果表明兩種情況均未能超過材料屈服應(yīng)力。如果需要修改，可將最后一張放大圖MAX處的地方導(dǎo)圓角或者圓角加大。圓角半徑的大小當(dāng)然可以通過DX進(jìn)行優(yōu)化選擇，由于分析要求里沒這個(gè)，我也就懶的做。想學(xué)習(xí)優(yōu)化的同學(xué)可以查看本版其他例子。
等效應(yīng)變趨勢(shì)基本與等效應(yīng)力相同。如下圖。
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最大變形的話，動(dòng)畫比較能說明問題，附件中為兩個(gè)情況的變形量，放大了觀察比例。相當(dāng)于針對(duì)初始情況移動(dòng)了多少。由與只考慮了地面法向的約束作用，平移沒有限制所以移動(dòng)量會(huì)比較大，跟實(shí)際情況不太符合。
以單腳踩下板為例，動(dòng)畫中顯示變形量為15mm，加的力相當(dāng)于一個(gè)136kg的人踩上去的程度，而設(shè)定的鞋底面寬為80mm。變形個(gè)1.5cm我認(rèn)為對(duì)于一個(gè)如此胖，腳卻如此精致的人來說是完全可以接受的
3.rar
4.rar
展開 Ansys Workbench工程應(yīng)用之——結(jié)構(gòu)非線性（下）：狀態(tài)非線性（4）過盈配合
整個(gè)系統(tǒng)在豎直方向沒有約束，所以打開弱彈簧防止剛體位移。
Step4 結(jié)果后處理。
求解后在結(jié)果中插入接觸工具——滲透，接觸工具——壓力，結(jié)果分別如下。可見計(jì)算后最大殘余穿透為0.0013mm，接觸壓力為369.7MPa。
分別修改法向接觸剛度因數(shù)為2、5、10、15，接觸滲透、接觸壓力與等效應(yīng)力如下表。
再將接觸設(shè)置為法向拉格朗日算法，接觸滲透與接觸壓力如下表。
當(dāng)使用法剛度計(jì)算時(shí)，當(dāng)接觸剛度大于5后，最大接觸壓力與最大等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。
3 如何求得壓入力或拔出力？
對(duì)于小過盈或過渡配合，通常使用壓力機(jī)等設(shè)備壓入軸，圓柱銷通過拔銷器拔出。我們較關(guān)心在一定的過盈下，壓入力或拔出力至少需要多大。這是通過在過盈計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)軸或環(huán)施加軸向強(qiáng)制位移，通過查看位移的支反力求得最小壓力/拔出力。
實(shí)例2 在實(shí)例1的基礎(chǔ)上計(jì)算銷軸的拔出力或壓入力。
Step1 邊界條件與分析設(shè)置。
設(shè)置載荷步為2步，子步設(shè)置如下圖，關(guān)閉弱彈簧，打開大變形。
默認(rèn)第1載荷步計(jì)算界面數(shù)值偏移或者模型過盈，第2載荷步對(duì)軸施加軸向5mm的Y向強(qiáng)制位移，X向自由。
使用遠(yuǎn)程約束控制環(huán)的外圈，遠(yuǎn)程約束中所有方向均為0。
接觸算法使用法向拉格朗日。
Step2 結(jié)果后處理。
在結(jié)果中插入探針——力反應(yīng)，設(shè)置屬性，結(jié)果如下。
可見Y方向最大反力為110000N，即至少需要110000N的力才能拔出或壓力銷軸。
4 如何求得冷縮裝配的冷凍或加熱溫度？
過盈裝配也常用冷凍銷軸或加熱孔環(huán)的熱脹冷縮方法裝配，所以過盈裝配也經(jīng)常被稱為冷縮裝配。WB使用靜態(tài)結(jié)構(gòu)便可計(jì)算出冷凍或加熱溫度。材料受熱后膨脹的性能參數(shù)由熱膨脹系數(shù)表示，如果實(shí)際熱膨脹系數(shù)與材料庫中不同，應(yīng)按實(shí)際參數(shù)修改。
展開 過盈裝配結(jié)構(gòu)有限元分析
圖1 圓盤和軸的過盈配合模型
2.模型的材料
軸和圓盤的材料都為結(jié)構(gòu)鋼，二者之間的摩擦系數(shù)為0.25.
3.邊界條件（工況）
軸和圓盤的之間的過盈量為0.00001m，該模型為平衡結(jié)構(gòu)，因此打開弱彈簧進(jìn)行計(jì)算。
4.計(jì)算結(jié)果
圖2過盈配合結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖
圖3 過盈配合結(jié)構(gòu)的變形云圖
有需要詳細(xì)教程的私信聯(lián)系我！！
應(yīng)用ANSYS Mechanical進(jìn)行非線性求解的設(shè)置指南 ￥5
</li><li>【Solver Type】求解類型、【W(wǎng)eak Springs】弱彈簧、【Large Deflection】大變形簡介</li><li>自動(dòng)時(shí)間步、重啟動(dòng)控制簡介</li><li>收斂準(zhǔn)則、【Line Search】線性搜索、【Stabilization】穩(wěn)定性簡介</li><li>接觸、接觸協(xié)調(diào)、接觸探測(cè)方法、修剪接觸簡介</li><li>穿透和滑移容差、法向接觸剛度、 Pinball區(qū)域簡介</li><li>接觸行為簡介以及非對(duì)稱行為接觸表面的正確選擇指導(dǎo)</li><li>接觸中的體類型（Shell thickness effect簡介）</li><li>界面處理與接觸幾何修正</li><li>接觸工具與自接觸設(shè)置</li><li>單元死生與接觸過程控制</li><li>自適應(yīng)網(wǎng)格控制</li></ol><p><br></p>
展開 
ANSYS Workbench中的接觸類型
程序會(huì)給裝配體加上弱彈簧，幫助固定模型，以得到合理的解。
Rough（粗糙的）:這種接觸方式和無摩擦類似。但表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，即沒有相對(duì)滑動(dòng)，法向可分離，不滲透，切向不滑動(dòng)。只適用于面接觸。默認(rèn)情況下，不自動(dòng)消除間隙。這種情況相當(dāng)于接觸體間的摩擦系數(shù)為無窮大。
Frictional（有摩擦）:這種情況下，在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)前，兩接觸面可以通過接觸區(qū)域傳遞一定數(shù)量的剪應(yīng)力。有點(diǎn)像膠水。法向可分離，但不滲透，切向滑動(dòng)，有摩擦力。模型在滑動(dòng)發(fā)生前定義一個(gè)等效的剪應(yīng)力，作為接觸壓力的一部分。一旦剪應(yīng)力超過此值，兩面將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。只適用于面接觸。摩擦系數(shù)可以是任意非負(fù)值。
ANSYS Workbench中的接觸類型【轉(zhuǎn)】
程序會(huì)給裝配體加上弱彈簧，幫助固定模型，以得到合理的解。
Rough（粗糙的）:這種接觸方式和無摩擦類似。但表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，即沒有相對(duì)滑動(dòng)，法向可分離，不滲透，切向不滑動(dòng)。只適用于面接觸。默認(rèn)情況下，不自動(dòng)消除間隙。這種情況相當(dāng)于接觸體間的摩擦系數(shù)為無窮大。
Frictional（有摩擦）:這種情況下，在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)前，兩接觸面可以通過接觸區(qū)域傳遞一定數(shù)量的剪應(yīng)力。有點(diǎn)像膠水。法向可分離，但不滲透，切向滑動(dòng)，有摩擦力。模型在滑動(dòng)發(fā)生前定義一個(gè)等效的剪應(yīng)力，作為接觸壓力的一部分。一旦剪應(yīng)力超過此值，兩面將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。只適用于面接觸。摩擦系數(shù)可以是任意非負(fù)值。
ANSYS Workbench五種接觸類型淺析
程序會(huì)給裝配體加上弱彈簧，幫助固定模型，以得到合理的解。
Rough（粗糙的）:這種接觸方式和無摩擦類似。但表現(xiàn)為完全的摩擦接觸，即沒有相對(duì)滑動(dòng)。只適用于面接觸。默認(rèn)情況下，不自動(dòng)消除間隙。這種情況相當(dāng)于接觸體間的摩擦系數(shù)為無窮大。
Frictional（有摩擦）:這種情況下，在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)前，兩接觸面可以通過接觸區(qū)域傳遞一定數(shù)量的剪應(yīng)力。有點(diǎn)像膠水。模型在滑動(dòng)發(fā)生前定義一個(gè)等效的剪應(yīng)力，作為接觸壓力的一部分。一旦剪應(yīng)力超過此值，兩面將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。只適用于面接觸。摩擦系數(shù)可以是任意非負(fù)值。
以上描述可能有點(diǎn)長，如果難以理解，下面有其他朋友總結(jié)的：
Bonded：無相對(duì)位移，如同共用節(jié)點(diǎn)。
No Separation：法向不分離，切向可以有小位移。
后面三種為非線性接觸。
Frictionless：法向可分離，但不滲透，切向自由滑動(dòng)。
Rough：法向可分離，不滲透，切向不滑動(dòng)。
Frictional：法向可分離，不滲透，切向滑動(dòng)，有摩擦力。
展開 ANSYS Workbench分析實(shí)例之沖壓成型
關(guān)閉弱彈簧。該設(shè)置是
為了使用網(wǎng)格非線性自適應(yīng)功能。
Step9
結(jié)果
總結(jié)
沖壓成型的有限元分析作為沖壓模具高效專業(yè)的輔助設(shè)計(jì)手段，能夠?yàn)槟＞叩脑O(shè)計(jì)和生成提供很大的幫助，如
鈑金毛坯尺寸、材料流動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、模具結(jié)構(gòu)等引起的成型性能變化等。本文介紹了沖壓分析過程中的技術(shù)要點(diǎn)，可供讀者參考使用。
注：本文做的只是一個(gè)示意性算例，結(jié)果不具備實(shí)際工程意義。
