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登錄ansys 連接剛度的案例
如何從Ansys APDL中提取剛度矩陣與質(zhì)量矩陣? ¥69
1.引論
經(jīng)常使用Ansys、Abaqus等一系列有限元分析軟件進行計算、學(xué)習(xí)的學(xué)生或工程師們都會知道在有限元分析建模與計算中剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的重要性。但是由于軟件的黑盒性質(zhì),大家往往在實際使用十分成熟的商業(yè)化軟件的過程中慢慢忽視了有限元及其衍生出的商業(yè)軟件背后的原理與方法。
這時,不管是在學(xué)習(xí)中還是在工程應(yīng)用中往往都會遇到一個同樣的問題,那么就是如何將Ansys APDL運行中的產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)(例如:剛度矩陣、質(zhì)量矩陣)導(dǎo)出成為我們熟悉的形式或文件格式,從而為我們所用,所分析。
因此我決定寫下此篇文章來幫助很多實際工作或?qū)W習(xí)中需要用到此類技能的同學(xué)、同事們,讓大家更了解Ansys APDL背后的工作原理與數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式。
當然,在社區(qū)中早就有大佬回答過了這個問題,并給大家制作了相應(yīng)的提取矩陣軟件,其軟件具備了簡單、便捷的操作方式,讓很多想要提取剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的同僚們受益,那么我為什么還要寫一篇這樣的文章重新提起這樣一個話題呢?這就又回到了我開頭所說的“原理與方法”,我在此更希望面對想要進一步學(xué)習(xí)了解軟件背后機理的群體,并在此基礎(chǔ)上保留教學(xué)的簡潔性,提供導(dǎo)出矩陣與轉(zhuǎn)換、列式、求解的源代碼,使其既兼顧基本原理,又可以讓大家直接上手使用,非常的便捷,也避免了很多因為優(yōu)化不完全導(dǎo)致的運行bug。
2.有限元軟件導(dǎo)出剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的方法
在使用APDL進行求解時,每次在求解完成后都會在工作路徑下生成一個.full文件,而這個文件十分關(guān)鍵,其正是剛度矩陣與質(zhì)量矩陣的所在之處。
展開 ANSYS各類型單元連接專題講解(一)之連接總則
一直以來,有不少同學(xué)咨詢水哥關(guān)于ANSYS中桿單元、梁單元、殼單元、實體單元的連接問題。之所以要用到各單元的連接,主要是由于我們在實際項目中,常常需要各種單元組合模擬,例如框架結(jié)構(gòu)計算中的框架柱、框架梁采用梁單元模擬,樓板采用殼單元模擬,如此便會產(chǎn)生各類型單元之間的連接問題。
為解決部分朋友們的疑問,水哥依自己的理解將從以下幾個方面系統(tǒng)講解下ANSYS中桿單元、梁單元、殼單元、實體單元的連接,其中若有不合理之處,還望各位朋友批評指正。
本系列講解目錄如下:
1、單元連接總原則。
2、桿與梁、殼、體單元的連接。
3、梁單元與實體單元鉸接。
4、2D梁單元與2D實體單元剛接。
5、3D梁單元與3D實體單元剛接。
6、殼單元與實體單元連接。
7、單元連接綜合實例。
本篇推文為該系列文章的首篇,主要說下ANSYS中單元連接總的原則以及簡單介紹兩個概念。
一般來說,按“桿梁殼體”單元順序,只要后一種單元的自由度完全包含前一種單元的自由度,則只要有公共節(jié)點即可,不需要約束方程,否則需要耦合自由度與約束方程。
例如:
(1)桿與梁、殼、體單元有公共節(jié)點即可,不需要約束方程。
(2)梁與殼有公共節(jié)點即可,也不需要約束寫約束方程;殼梁自由度數(shù)目相同,自由度也相同,盡管殼的rotz是虛的自由度,也不妨礙二者之間的關(guān)系,這有點類同于梁與桿的關(guān)系。
(3)梁與體則要在相同位置建立不同的節(jié)點,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
(4)殼與體則也要相同位置建立不同的節(jié)點 ,然后在節(jié)點處耦合自由度與施加約束方程。
從上述也可見,ANSYS無非是通過三種方法來實現(xiàn)單元之間的連接:共用節(jié)點、耦合、約束方程。
這里簡單介紹下耦合與約束方程的基本概念。
展開 ANSYS不同單元類型連接專題(三)—Solid-Shell連接
我們之前討論了ANSYS不同單元類型連接中的Solid-Beam單元的連接,通過研究Solid-Beam單元連接的兩種方式,梳理了一下不同單元類型連接時需要注意的關(guān)鍵點。今天我們開始討論Solid-Shell單元的連接。
我們知道,Shell單元有6個自由度,而Solid單元只有3個自由度,因此不能通過簡單的共節(jié)點方法實現(xiàn)Solid-Shell單元的連接。下面我們通過一個實例,研究下在ANSYS中是怎么實現(xiàn)Solid-Shell單元連接的。
對簡單的薄壁結(jié)構(gòu)進行分析時,我們通常將其簡化成殼模型,可極大降低計算量,但在板上開一個階梯孔(如下圖),就沒法將其簡化成殼模型了,但如果主要研究階梯孔附近的應(yīng)力情況,且不能有太大的計算量,此時我們可以采用Solid-Shell模型實現(xiàn)。
為了對比計算結(jié)果,筆者采用兩種方法對該結(jié)構(gòu)進行分析:
方法一:對整個結(jié)構(gòu)使用
Solid單元進行分析;
方法二:
階梯孔附近使用Solid單元,其余位置使用Shell單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問題。
仿真過程
Step1
建立分析模型
在SCDM中建立如下圖所示的分析模型,其中薄板尺寸為200mm*100mm,厚度為10mm;階梯孔大孔直徑為30mm,深5mm;
階梯孔
小孔直徑為
20mm
,
深5mm。
將模型切分為兩部分,切分位置如下圖所示。切分完成后將沒帶階梯孔的部分進行抽中面處理。
展開 ANSYS不同單元類型連接專題(一)Solid-Beam單元的連接
不同單元類型連接,對初學(xué)者來說一直是個困擾,筆者在學(xué)習(xí)ANSYS的時候,也遇到了這個問題。今天開始,筆者將對ANSYS不同單元類型連接開設(shè)一個專題,仔細和大家說說不同單元類型,到底該怎么連。
我們知道,相同自由度的單元(如Beam-Shell)進行連接時,可以直接使用共節(jié)點連接;而不同自由度的單元連接時,需要建立約束方程。
注意:單元自由度的異同有兩個含義,即單元的自由度個數(shù)和自由度的物理意義。
為了給大家進行軟件操作演示,筆者隨便瞎編亂造了一個結(jié)構(gòu):橫截面為10mm×10mm,長度為200mm的方形梁,底端開了一個直徑為5mm的孔,模型如下。
我們知道,細長結(jié)構(gòu),我們可以使用Beam單元進行分析,可偏偏有好事者在一個完美的梁結(jié)構(gòu)上開了個孔,這樣直接導(dǎo)致我們無法對其整體使用Beam單元了,那這樣的結(jié)構(gòu)我們該如何處理呢?提供以下兩種方法:
方法一:對整個結(jié)構(gòu)使用Solid單元進行分析;
方法二:孔附近使用Solid單元,其余位置使用Beam單元。這樣就引入了不同單元類型連接的問題。
為了比較不同單元類型連接后的精度,筆者建立了兩個靜力學(xué)項目:一個是全部使用Solid單元進行分析的模型
solid;另一個是使用Solid單元和Beam單元連接起來分析的
solid_beam。
打開workbench,建立兩個靜力學(xué)項目,分別命名為“solid”和“solid-shell”,并導(dǎo)入建立的幾何模型。
一、solid-beam計算。
展開 
ANSYS不同單元類型連接專題(二)Solid-Beam單元的連接(類型二)
三、連接原理。
詳見上篇文章
《ANSYS不同單元類型連接專題(一)Solid-Beam單元的連接》。
至此,本文完結(jié)。
歡迎大家點擊在看和轉(zhuǎn)發(fā)支持!掃描二維碼關(guān)注公眾號,一起聊聊力學(xué)和有限元那點兒事。
ANSYS各類型單元連接專題講解(二)之桿與梁殼體單元的連接
前一篇文章主要介紹了單元之間連接的主要原則,今天開始主要從具體方面講解連接方法。
按照桿、梁、殼、實體的順序,先說說桿單元與各單元的連接方法。
那么什么時候需要用到桿單元與各種單元的連接呢?水哥稍微列舉下實際工程中需要考慮此類連接的例子。
案例一:工業(yè)廠房
此類結(jié)構(gòu)一般橫向跨度較大,屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)形式,在具體模擬屋架時,此時各個桿件可看成鉸接,采用桿單元模擬。而下方框架柱則采用梁單元進行模擬,在相交部位則需要用到桿單元與梁單元的連接。
案例二:門廳鋼結(jié)構(gòu)雨棚
在具體模擬該結(jié)構(gòu)時,雨棚上方拉桿采用桿單元模擬,而下方的鋼梁采用梁單元模擬,混凝土框架柱可采用實體單元模擬。
一直以來,桿單元一般用于模擬桁架結(jié)構(gòu)的時候比較多,其特點是桿件兩端不考慮承受彎矩作用,節(jié)點只有平動自由度,是所有單元中最為簡單的一種。
桿單元分為2D桿單元和3D桿單元,2D桿單元節(jié)點只有Ux和Uy兩個平動自由度,而3D桿單元除了這兩個,還有Uz。其他單元,梁單元、殼單元、體單元都包含了這三個自由度,且具有相同的物理意義,按照前面一篇文章所介紹的連接總則,桿單元與其他單元連接時只需要共用節(jié)點即可,無需建立約束方程。
下面是一個簡單的類似雨棚案例,注意本案例各構(gòu)件尺寸僅為演示操作需要所擬,未經(jīng)仔細推敲,各工程大佬可忽略。
某屋外雨棚平面簡化模型如上,長度為4m,折算荷載為10 KN/m,雨棚梁采用工字型鋼I40,系桿截面面積為238.64mm^2,材料均為Q235,采用ANSYS模擬該結(jié)構(gòu)。
下面為建模過程
!
展開 ANSYS模型剛度、質(zhì)量矩陣快速提取小軟件—km_from_Ansys ¥88
提取方法
Ansys中其實提供了幾種單元剛度矩陣和整體剛度矩陣的提取接口,先做一下簡單介紹:
(1)單元剛度矩陣提取,集成整體剛度矩陣
首先選擇要提取的單元,通過/debug命令輸出選擇集中的單元剛度矩陣,再根據(jù)結(jié)構(gòu)的單元連接信息,組合成整體剛度矩陣,命令如下:
/OUTPUT,cp,out,, ! 將輸出信息送到cp.out文件
/debug,-1,,,1 ! 指定輸出單元矩陣
/SOLU
SOLVE
finish
/OUTPUT, TERM ! 將輸出信息送到output windows中
感受:這個方法很直接,但稍顯麻煩,需要提取到結(jié)構(gòu)的單元組成信息、節(jié)點信息以及單元剛度矩陣等,對于稍大一些結(jié)構(gòu)來說,可能需要1個小時甚至更長時間才能完成。
(2)超單元方法
/solu
antype,7 !substructuring分析類型
seopt,matname,1 !設(shè)置文件名稱和剛度矩陣類型(剛度,質(zhì)量,阻尼等)
nsel,all !選擇所有節(jié)點
m,all,all !定義所有節(jié)點自由度為主自由度
solve !求解
selist,matname,3 !列出整體剛度矩陣
這種方法是可以提取到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣的,但是問題在于需要指定主自由度,對于一般結(jié)構(gòu)而言,這個方法還是適用的,問題是如果結(jié)構(gòu)中存在耦合關(guān)系,結(jié)構(gòu)自由度存在依賴關(guān)系,該方法就不太適用了,可能還有其他解決辦法,但是我后來還是放棄這種方法。
(3)HBMAT命令方法提取整體矩陣
這種方法的適用性比較廣,也是個人比較推崇的一種方法。
展開 ANSYS剛度矩陣的提取與解析(python解析)
就ansys如何提取剛度矩陣、如何解讀提取的文檔以及利用Python進行解析。
在workbench中實現(xiàn)整個過程的參數(shù)化過程除了前幾次文章介紹的模型與網(wǎng)格,還應(yīng)該包括材料參數(shù)的參數(shù)化定義。利用Python進行二次開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)材料參數(shù)的自由定義,比如來源于excel表格或者文檔的數(shù)據(jù),通過Python代碼的自動讀取,參與到實際的有限元分析進程中。
結(jié)構(gòu)有限元最后的求解過程總是歸結(jié)到求解一個大型矩陣方程Ax=b,對于一些情況還需要考慮質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣C。有限元程序在組裝完所有單元的剛度矩陣后,考慮模型所施加的約束和載荷,最終將剛度矩陣進行一些處理,例如乘大數(shù)法,變成Ax=b的形式,其中A是剛度矩陣,b是節(jié)點載荷,x為待求的節(jié)點位移,A和b全為已知量。
基本上各類有限元軟件均能夠提取模型的剛度矩陣,此次針對剛度矩陣的提取與解析做一個例子,采用的軟件是ANSYS經(jīng)典。
在ANSYS中建立一個簡單的模型,劃分網(wǎng)格后共12個節(jié)點,定義材料參數(shù),施加約束和載荷后求解。有限元模型如下所示。
待求解結(jié)束后,會在工作目錄下生成一個后綴為full的文件,之后即可進行剛度矩陣的提取。
通過主菜單,如下所示。
選擇Matrix后,彈出如下所示的界面。
其中,F(xiàn)ile to be read需要指定工作目錄下生成的full文件,Name of file to write為所導(dǎo)出剛度矩陣的文件名稱;Output matrix file format表示文件格式,還有Binary,生成的是文檔文件,選擇Ascii即可;Matrix to write表示輸出的是剛度矩陣/質(zhì)量矩陣還是阻尼矩陣;RHS選項表示是否同時輸出右端項,也即是Ax=b中的b。
打開生成的剛度矩陣文檔,如下所示。
展開 基于 MATLAB 的 ANSYS Harwell-Boeing 格式稀疏矩陣提取工具 —— 剛度矩陣與質(zhì)量矩陣 ¥30
在有限元分析中,ANSYS 可以導(dǎo)出大規(guī)模稀疏矩陣(如剛度矩陣、質(zhì)量矩陣),通常使用 Harwell-Boeing (HB) CCS 格式。這些矩陣對后續(xù)二次開發(fā)、動力學(xué)分析或自定義求解器非常重要,但由于其稀疏和壓縮存儲形式,直接在 MATLAB 中讀取和使用并不方便。
本文提供了 兩個 MATLAB 函數(shù),可直接從 ANSYS 導(dǎo)出的 HB 矩陣文件中讀取并重構(gòu)成 MATLAB 稀疏矩陣:
1.剛度矩陣提取函數(shù)
輸入:ANSYS 導(dǎo)出的剛度矩陣 HB 文件(stiff.txt)
輸出:MATLAB 稀疏矩陣 K,可直接用于動力學(xué)計算或驗證
支持自動對稱化,保證數(shù)值正確
2.質(zhì)量矩陣提取函數(shù)
輸入:ANSYS 導(dǎo)出的質(zhì)量矩陣 HB 文件(mass.txt)
輸出:MATLAB 稀疏矩陣 M
使用與剛度矩陣同樣的解析邏輯,無需額外修改
案例說明:
本文以高速鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例,展示了如何將 ANSYS 中導(dǎo)出的稀疏剛度矩陣和質(zhì)量矩陣,在 MATLAB 中完整展開,并進行后續(xù)動力學(xué)分析準備。
通過該方法,可以將大規(guī)模有限元矩陣快速轉(zhuǎn)化為 MATLAB 可操作形式,為自定義振動分析、模態(tài)分析及其他科研或工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
優(yōu)勢與應(yīng)用:
支持大規(guī)模稀疏矩陣解析
自動對稱化,保證數(shù)值精度
適用于剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、其他 HB 格式矩陣
可作為動力學(xué)求解器或后處理工具的基礎(chǔ)模塊
使用方法:
1.使用以下代碼對ansys中生成的質(zhì)量及剛度矩陣進行提取,file,5,full(5為工作目錄下full文件的文件名,例如:filename.full)。
展開 ANSYS中整體、單元剛度和質(zhì)量矩陣的提取
這時用編輯器打開cp.out文件,可以看到按單元寫出的質(zhì)量、剛度等矩
陣
ANSYS中整體、單元剛度和質(zhì)量矩陣的提取.rar
ANSYS知識普及5——如何模擬銷軸連接(ANSYS專家編輯,非原創(chuàng),歡迎轉(zhuǎn)摘)
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編輯人:技術(shù)鄰ANSYS專家
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MPC184單元詳解(1)
1.銷軸模型
MPC184單元描述
MPC184包括使用拉格朗日乘子法實現(xiàn)運動約束的一類常用的多點約束單元。這些單元可以簡單地分為“約束單元”或“連接單元”。 用戶可以在一些需要施加運動約束的場合中使用這些單元。這些約束可以簡單到鉸鏈上的具有相同的位移值,也可以復(fù)雜到包括模型的剛性部分,或者在柔性體之間以某一特定方式傳遞運動的運動約束。例如,結(jié)構(gòu)中可能包含一些剛性部件或者通過轉(zhuǎn)動或滑塊約束連接在一起的運動部件。結(jié)構(gòu)的剛性部分可以使用MPC184的剛性桿或剛性梁單元來模擬,運動部分可以使用MPC184的滑塊,球鉸,銷軸和萬向聯(lián)軸器單元模擬。因為這些單元使用拉格朗日乘子法實現(xiàn),ANSYS能夠輸出約束反力和力矩。
約束單元
如果沒有其它說明,使用這些單元時,三維單元選項(KEYOPT(2) = 0)為默認值。
銷軸鏈接
設(shè)置KEYOPT(1) = 6定義二節(jié)點銷軸鏈接。銷軸單元的二個節(jié)點必須有相同的空間坐標。
MPC184銷軸鏈接單元只有一個基本自由度-繞著軸或銷相對旋轉(zhuǎn)。單元能夠包括控制特性,如未約束自由度上的擋塊,鎖定器。旋轉(zhuǎn)邊界條件也可以施加到相對運動分量上。
展開 
ANSYS知識普及6——如何模擬球鉸連接(ANSYS專家編輯,非原創(chuàng),歡迎轉(zhuǎn)摘)
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MPC單元詳解(2)
MPC184單元描述
MPC184包括使用拉格朗日乘子法實現(xiàn)運動約束的一類常用的多點約束單元。這些單元可以簡單地分為“約束單元”或“連接單元”。 用戶可以在一些需要施加運動約束的場合中使用這些單元。這些約束可以簡單到鉸鏈上的具有相同的位移值,也可以復(fù)雜到包括模型的剛性部分,或者在柔性體之間以某一特定方式傳遞運動的運動約束。例如,結(jié)構(gòu)中可能包含一些剛性部件或者通過轉(zhuǎn)動或滑塊約束連接在一起的運動部件。結(jié)構(gòu)的剛性部分可以使用MPC184的剛性桿或剛性梁單元來模擬,運動部分可以使用MPC184的滑塊,球鉸,銷軸和萬向聯(lián)軸器單元模擬。因為這些單元使用拉格朗日乘子法實現(xiàn),ANSYS能夠輸出約束反力和力矩。
約束單元
如果沒有其它說明,使用這些單元時,三維單元選項(KEYOPT(2) = 0)為默認值。
1.球鉸模型
球鉸
設(shè)置KEYOPT(1) = 5來定義二節(jié)點的球鉸。兩個節(jié)點必須重合。3維球鉸每個節(jié)點有三個自由度(x,y和z方向平移)。2維球鉸單元(KEYOPT(2) = 1)每個節(jié)點有二個自由度(x,y方向平移)。
展開 ANSYS workbench壓力管道螺栓連接分析 ¥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí):
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會得到什么:
1、學(xué)習(xí)壓力管道的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)螺栓連接非線性接觸相關(guān)的接觸設(shè)置
3、學(xué)習(xí)非線性靜結(jié)構(gòu)分析步的建立
4、學(xué)習(xí)螺栓連接非線性接觸分析的載荷施加
案例介紹:
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 壓力管道螺栓連接分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
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Ansys Workbench 批量創(chuàng)建Beam連接的方法記錄 ¥50
在結(jié)構(gòu)仿真中經(jīng)常會遇到螺栓連接問題,對于一些非重要的螺栓位置,經(jīng)常使用Beam單元來等效螺栓連接。Ansys Workbench提供了一種批量創(chuàng)建這類Beam連接的方法:Object Generator功能:
首先,用戶手動創(chuàng)建一個Beam連接作為模板;
然后,用戶創(chuàng)建兩個NamedSelection組,每個NS包含一側(cè)所有需要連接的螺栓孔面組;
然后,使用WB提供的批量Object Generator功能,進行批量創(chuàng)建。
注:5、輸入的Max距離可以略大于上下兩個螺栓孔中心點的距離。
問題:
但是這種方式只能是螺栓孔內(nèi)表面,(或者前處理中有幾何分割可以選到螺栓連接的圓環(huán)面),經(jīng)常在計算結(jié)果中會有螺栓孔邊緣應(yīng)力值較大的現(xiàn)象。
所以,為了減弱這種邊緣應(yīng)力現(xiàn)象,這里試著將beam 的連接區(qū)域,由螺栓孔內(nèi)表面,轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠謫卧妗? 既然這種單元面組成的Beam連接對改善邊緣應(yīng)力有幫助,筆者就想將,WB的批量創(chuàng)建功能與單元面Beam連接相組合。實現(xiàn)批量創(chuàng)建以單元面為連接區(qū)域的Beam連接。然后筆者借鑒Object Generator 的思路構(gòu)建了如下python腳本插件,以實現(xiàn)這類beam連接的快速創(chuàng)建。
展開 Ansys 案例研究 | 剪力作用下的螺栓連接
概述
本模型解釋了一個簡單的螺栓連接,該連接由兩塊板和一個螺栓夾緊在一起。在此情況下,螺栓將承受剪力。
目標
演示如何為兩塊板之間設(shè)置螺栓連接,包括螺栓預(yù)緊力和施加剪力。
建模步驟
對施加剪力的簡單螺栓連接進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。
1.打開 Ansys Workbench 并插入一個“靜態(tài)結(jié)構(gòu)(Static Structural)”系統(tǒng)。
2.在“工程數(shù)據(jù)(Engineering Data)”下定義材料屬性。
a.選擇“工程數(shù)據(jù)源(Engineering Data Sources)”,然后選擇“通用非線性材料庫(General Non-linear Materials library)”;
b.從該庫中選擇“結(jié)構(gòu)鋼 NL(Structural Steel NL)”材料。
3.導(dǎo)入“簡單螺栓連接(Simple Bolted Joint)”幾何體。
4.檢查幾何定義。這里有兩塊板、一個螺栓和一個螺母,它們都是實體。由于這些實體是分離的部件,我們需要在它們之間定義接觸。
a.檢查單位,確認對于本次分析已正確設(shè)置為公制(mm, kg, s);
b.對于此案例,為所有體分配"Structural Steel NL"材料,如我們在第2步中所添加的。
5.在實體之間創(chuàng)建接觸。
a.系統(tǒng)已自動生成各體之間的接觸,修改它們使每個接觸具有正確的接觸類型;
b.在兩塊板之間、螺栓頭與頂板之間、螺母與底板之間設(shè)置摩擦接觸 (Frictional contact),摩擦系數(shù)為0.2。
展開