剛性單元的案例
案例12 Virtual.Lab前處理操作之剛性單元Spider
案例12Virtual.Lab前處理操作之創建剛性單元Spider
關于LMSVirtual.Lab，大家了解的更多的是Acoutics模塊跟Motion模塊，實際上VL的前處理模塊功能也是非常強大的，有朋友在QQ群里詢問如何創建軸孔處的剛性單元Spider（相當于Nastran中的RBE2單元）。因此做了一個案例給大家分享一下。僅供入門級的朋友參考，高手請繞道，呵呵。
感謝阿偉在本人學習LMS Virtual.Lab過程中的幫助！
本例視頻下載地址：http://pan.baidu.com/share/link?shareid=566429156&uk=1728334102
展開 Nastran中的9種剛性單元
MPC提供了一種剛性建模和建立剛性約束的方法，在Nastran中共有9種剛性單元（R-element），分別如下：
RROD----1個自由度，在延伸方向是剛性的；
RBAR----剛性桿，不同于RROD的是在桿的端點有6個自由度；
RJOINT----剛性鉸，鉸的每個端點有6個自由度；
RTRPLT----剛性三角形平板，每個頂點具有6個自由度；
RBE2----用于一個剛性體連接到任意數目的網格節點上，其主自由度是某個節點的6個方向的運動；
RBE1----同樣是用于將剛性體連接到任意數目的節點上，其主自由度和從自由度可由用戶任意選取；
RBE3----用于定義某個節點的運動是其他節點運動的加權平均；
RSPLINE----其系數（即AMi）是由連接到參考節點上的梁單元的斜率確定的，這種R-element一般用于改變mesh的大小；
RSSCON----在shell和Solid單元之間加約束；
MPC----用戶選擇的節點自由度線性組合，系數由用戶輸入。
RJOINT:
RJOINT的語法如下：
RJOINT EID GA GB CB
其中，EID為element ID；
GA為主節點（所有6個自由度也是主自由度）；
GB為從節點（即其自由度由其他節點自由度確定）；
節點GA和GB之間的長度必須為0。如果CB=123456或者為空，則節點GB將隨著網格節點GA一起移動。如果CB上所有的自由度都被釋放，則RJOINT成為一個機械鉸（兩個物體在某點鉸接，兩個物體可以互相繞著局部坐標系的某一個軸，兩個或三個軸轉動）
展開 Hypermesh二次開發之蛛網螺栓批量建立 ￥15
簡化方式則比較多樣，多用于區域線性行為，如計算模態等，在不考慮螺栓的影響可以直接采用剛性單元進行替換，考慮到剛度、柔性的影響可以采用剛性單元和梁單元結合創建；當更進一步需要考慮螺桿的情況可以用實體代替螺桿。
可以說螺栓的創建十分多樣，而本次我們僅對剛性單元+梁單元的蛛網形式的批量操作進行分享。
在一些框架類型，尤其是鋁制結構，多采用鉚接形式進行部件連接，一個框架中可能就有好幾十甚至上百個鉚接區域，對于這種重復且繁瑣的工作我們就亟需用一種簡便的方式去替代人工操作。
采用Hypermesh中的二次開發可以有效加快模型處理效率，僅對符合連接的孔與孔之間創建螺栓結構，在非鉚接區域不予創建螺栓，效果如視頻所示。
文末有腳本內容及模型文件，如有需求可以進行獲取，十分感謝！
展開 淺談有限元分析中的RBE2與RBE3單元
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1.什么是RBE2和RBE3
在有限元分析中，經常會用到一種類似蜘蛛網形式的單元，大家對這種單元的叫法也都不一，比如rbe2、rbe3、多點約束、剛性單元、柔性單元、耦合等等，筆者這里還是習慣叫它rbe2和rbe3單元。這類單元一般用于施加邊界條件和連接，這篇文章簡要談一談rbe2和rbe3蜘蛛網結構的作用、區別以及使用場景的區別。
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蜘蛛網結構
2.單元特性
rbe2單元
rbe2單元就是常說的剛性單元，不同的求解器對剛性單元有不同的命令或關鍵字，例如在Optistruct和Nastran中以剛性單元以關鍵字rbe2給出。
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在Abaqus中，剛性單元常用*coupling-*Kinematic給出
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而在ANSYS中，剛性單元一般以cerig命令給出
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不同求解器對于rbe2單元的底層數值算法可能略有差異，但其物理表現形式大致相同。都是將主節點與從節點構成一個無限剛度的區域，rbe2單元內部節點間沒有任何相對運動，可以理解為整個rbe2單元形成了一個剛體，其主節點有6個自由度。由于rbe2單元其內部無限剛度的特性，在有限元模型中使用rbe2單元會增加局部剛度，但一般在小范圍內使用rbe2單元幾乎是不會對整體結構產生影響的。
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展開 
彎曲工況下車輪強度、疲勞分析方法對比
1.1模型1（殼單元離散，不考慮接觸與預緊力）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
1.2模型2 （體單元離散，不考慮接觸與預緊力）
輪輞、輪輻、焊縫使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
1.3模型3（殼單元離散，考慮預緊力，接觸對模擬接觸）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤利用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上， 利用接觸對模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.4模型4（殼單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.5模型5（體單元離散，考慮預緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻、焊縫、連接件使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。 利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
展開 淺談《一維單元解析及功能、用途》
一維單元解析及功能、用途
Bar（包括bar2及bar3）: 梁單元
用于復雜梁（包含普通(elastic)、截面漸變(tapered)、塑性(plastic)、考慮剪切變形等各種粱形式）。Beam xsect（梁截面）計算梁單元截面的特性。在Hyperworks中包含有梁截面數據庫，用戶可以根據梁截面形狀進行定義梁截面特性，很大程度地方便了用戶。其中，bar3包含了一個用來支撐second order 梁的第三個節點。注意：性能參數、Pin標記、局部軸向量、偏移向量隨意方向的節點。
Rod 桿單元
用于簡單桿，包括普通(spar)、雙線性(bilinear)等桿。
Gap 間隙單元
支持Gap單元
Joint 鉸接單元
用于支撐應用在安全分析編碼上的動力學結合點定義。
Rbe3 剛性單元
定義一個參考節點（dependent節點）的運動與一組其他節點（independent節點）加權平均運動的關系。注意：每個節點重量的自由度！支持Nastran RBE3單元。
Rigid 剛性單元
一個rigid單元是在模型的空間中需要剛性連接的兩個節點之間的創建的單元。可以創建單個和多個節點的MPC單元。在Nastran中轉化為RBE2，在ABAQUS中轉化為*.MPC。
weld 焊接單元
可以在兩個面板之間創建對齊的剛性單元。
展開 盤點有限元中常用的焊點
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有限元中常用的焊點
剛性梁單元、可變形梁單元、實體單元、Cweld單元、ACM2單元
1）剛性梁單元（RBE2）
采用剛性單元RBE2在一個主節點、一個從節點的連接部位建立剛性連接單元，使主節點和從節點具有相同的位移，以此來模擬兩個部件焊接在一起。這種連接方式需要考慮網格對齊，保證剛性梁單元垂直于所連接的面。優點是：建模快速。缺點是：增大了局部剛度過大，可能會出現應力集中現象；嚴重依賴網格對齊，不適用于焊點很多的白車身焊點建模。
RBE2單元
2）可變形梁單元
與剛性梁單元相似，不同之處在于可變形梁單元可賦予材料類型和截面屬性。優點：比剛性梁更符合焊點實際受力。缺點：依賴對齊的網格，焊核處失效行為難以模擬。
BEAM梁單元
3）Cweld單元
是一種具有特定的剪切柔性的梁單元。如下圖，GA、GB定義焊點中心，并非真實的節點，GA-GB的距離為焊核的長度；GA、GB定義焊件面上4個輔助點，GAH1~4、GBH1~4，圍成的四邊形面積就是焊點的截面積。Cweld單元可實現節點對節點的連接（GA-GB/ALIGN）、節點與單元的連接（GS/GRIDID）、單元與單元的連接 （GA-GB/ELEMID）。優點：建模簡單，能滿足不協調網格的要求，準確模擬焊點的位置，可實現點對點、點對面、面對面的連接，模擬精度較高。
展開 ANSYS apdl中如何使齒輪饒定軸轉動
問題描述：在ANSYS中，實體單元和平板單元只有平動自由度，無旋轉自由度，網上提供的方法，在柱坐標系下通過固定徑向位移，在周向施加小位移，但這種方法只適合小位移的轉動，無法實現大位移，本文提出采用MPC184-銷軸單元和MPC-184剛性梁單元完成。本文就GUI的方式來介紹如何來創建齒輪的繞定軸旋轉。達到下圖的效果
step1 定義單元類型
a plat182 單元 模擬齒輪
b mpc184-剛性梁單元
c mpc184-銷軸單元 （本文繞Z軸旋轉，如定義為x軸，需要定義局部坐標系，繞y軸旋轉90°）
step2 定義局部坐標系默認，本文定義12號
step3 定義銷軸截面以及單元坐標系
step3 創建銷軸連接單元
在齒輪的中心點分配3號銷軸單元
step4 創建剛性梁單元
單元屬性旋旋轉2號剛性梁單元，去內徑的節點和圓中心點創建剛性梁單元
step5 施加載荷使齒輪旋轉2圈
setp6 求解設置
step7 時間后處理選擇內徑上的一個節點觀察ux，uy，rotz，可以看出齒輪旋轉2圈
展開 電池包靜態沖擊及不同求解器分析對比
3.2 前處理基本要求
1、對于電池包上的鈑金件，抽中面畫成2D網格，盡量減少三角形的數量，盡量不要出現三角形單元相鄰；
2、保留主要的幾何型線，網格要與幾何保持良好的貼合；
3、對于橫跨縱向中心面的部件，用縱向中心面把它分割成兩部分，對稱部件以及對稱結構要求對稱網格；
4、板架、實體連接等鑄件采用solid單元模擬；
5、每個零件的單元法向必須一致；
6、每個零件的單元應連續，自由邊只能出現在零件的實際邊界上；
7、整個網格模型不允許出現初始穿透。
3.3 1D網格質量
1D單元主要包括剛性單元、彈簧阻尼單元等。檢查項目包括：
1、free 1d’s1D 檢查單元是否存在自由端；
2、rigid loops 檢查剛性單元是否形成環；
3、dependency 檢查剛性單元是否有雙重依賴性。
展開 關于mpc的介紹
描述非常剛硬的結構單元。假定結構模型中包括一個或多個比其他元件硬得多的元件，如汽車模型中的發動機，這時候剛硬元件可以傳遞載荷，但它的變形要小的多，和柔軟元件比，它是“剛性”的。如果用大剛度的彈性單元模擬剛硬單元，會造成病態解，原因是，剛度矩陣中對角系數差別太大，引起矩陣病態。研究指出，應該用適當的約束方程來代替剛硬的彈性單元，以創建更為合理的有限元模型。
2.在不同類型的單元間傳遞載荷。如果有限元模型中，包含三維實體單元和殼體單元。模型看來成功，沒異常。但是求解在矩陣分解時失敗了，因為縮減剛度矩陣是奇異的。原因是模型中包含了一個“機構”。無法將殼體單元上的力偶傳遞到實體單元上，因為實體單元沒有轉動自由度。為了消除這種奇異性，必須建立一種連接，作用是在實體中建立一個耦合，以承受殼體力偶。
3。任意方向的約束。當某節點可以沿著不平行于坐標軸的某個邊界運動時，就需要定義一個約束方程，這個方程反映垂直于此邊界的運動的約束
4。剛性連桿
A:RBE1和RBE2約束單元都是PABR和RTRPLT單元的推廣，后者允許連接任意數量的幾何格點。這些剛性約束單元在用戶必須定義的集合n內有六個剛體自由度。RBE1和RBE2剛性單元的形式顯示于卡片圖形9.13中。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RBE1 EID GN1 CN1 GN2 CN2 GN3 CN3 +1
+1 CN4 GN5 CN5 GN6 CN6 +2
+2 ‘UM’ GM1 CM1 GM2 CM2 GM3 CM3 +3
+3 GM4 CM4 etc. +4
一般剛性單元的另一種形式
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RBE2 EID GN CM GM1 CM2 GM3 CM4 GM5 +1
+1 GM6 GM7 etc.
展開 Patran中MPC（多點約束）應用
描述非常剛硬的結構單元。假定結構模型中包括一個或多個比其他元件硬得多的元件，如汽車模型中的發動機，這時候剛硬元件可以傳遞載荷，但它的變形要小的多，和柔軟元件比，它是“剛性”的。如果用大剛度的彈性單元模擬剛硬單元，會造成病態解，原因是，剛度矩陣中對角系數差別太大，引起矩陣病態。研究指出，應該用適當的約束方程來代替剛硬的彈性單元，以創建更為合理的有限元模型。
2.在不同類型的單元間傳遞載荷。如果有限元模型中，包含三維實體單元和殼體單元。模型看來成功，沒異常。但是求解在矩陣分解時失敗了，因為縮減剛度矩陣是奇異的。原因是模型中包含了一個“機構”。無法將殼體單元上的力偶傳遞到實體單元上，因為實體單元沒有轉動自由度。為了消除這種奇異性，必須建立一種連接，作用是在實體中建立一個耦合，以承受殼體力偶。
3。任意方向的約束。當某節點可以沿著不平行于坐標軸的某個邊界運動時，就需要定義一個約束方程，這個方程反映垂直于此邊界的運動的約束
4。剛性連桿
A:RBE1和RBE2約束單元都是PABR和RTRPLT單元的推廣，后者允許連接任意數量的幾何格點。這些剛性約束單元在用戶必須定義的集合n內有六個剛體自由度。RBE1和RBE2剛性單元的形式顯示于卡片圖形9.13中。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RBE1 EID GN1 CN1 GN2 CN2 GN3 CN3 +1
+1 CN4 GN5 CN5 GN6 CN6 +2
+2 ‘UM’ GM1 CM1 GM2 CM2 GM3 CM3 +3
+3 GM4 CM4 etc. +4
一般剛性單元的另一種形式
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RBE2 EID GN CM GM1 CM2 GM3 CM4 GM5 +1
+1 GM6 GM7 etc.
展開 
CAE前處理 | 轉軸類連接
驗證方法：約束模態分析
結果現象：1階陣型為相對自轉 2階陣型為正常彎扭，并且兩階模態頻率相差較大
3、方法驗證 自由度耦合
rbe2單元
剛性單元屬于耦合類單元，因此可以通過控制耦合的自由度來達到只傳遞部分需要自由度的目的，具體實現如下：
如圖，我們不對中間連接單元從節點的轉動自由度進行耦合，這樣就能實現以下效果：
可以看到，1階陣型為銷軸自轉，2階陣型為結構本身變形，兩階模態頻率相差較大，實現了我們預期的轉動釋放效果。
自由度釋放
rbe3單元
使用rbe2雖然能夠達到預期效果，但是有兩個缺點：一是剛性單元的使用會加劇局部剛度，二是全部使用剛性單元會使得建模沒有可調空間，因此我們自然會想到使用rbe3單元：
如圖所示，使用rbe3單元進行耦合，梁單元作為軸，將一側rbe3單元的轉動自由度釋放掉，這樣在保留一定剛度可調空間下能達到如下效果：
由于使用了rbe3以及beam單元組合，因此相對于單純的rbe2單元剛性小了很多，這一點從右上角固有頻率可以看出。
展開 某車型機罩抗凹分析 ￥10
文章鏈接：某車型機罩自由模態分析 ，這里提幾處注意點：
1、約束車身側鉸鏈安裝點全部自由度，若無鉸鏈，需約束機罩側鉸鏈安裝點全部自由度；
約束緩沖塊處3方向自由度，建議緩沖塊位置，需用剛性單元抓成蜘蛛網，約束主節點；
約束鎖扣處23方向自由度
2、剛性單元，在abaqus中有COUP-KIN、KIN-COUP、BEAM等，一般根據主機廠要求選用。
3、加載位置選取，通常需要做模態分析及施加均布載荷，選取最薄弱的幾處區域進行抗凹分析。
4、壓頭一般為標準壓頭，全剛性或者前端帶橡膠的壓頭；
5、壓頭需與機罩外板之間建立接觸，并給予合理的間隙值，設定主從面時，一般遵循：剛度大、網格粗、面積大為主面的原則，并非絕對。
6、施加載荷時，需在壓頭上建立局部坐標系，并釋放力加載方向的自由度。
二、分析步
因要考察殘余變形，需設置兩個分析步：
第一步：加載；
第二步：卸載；
輸出項設置：U、S、PEEQ等項即可
下文介紹建模注意點
附完整機罩抗凹模型
展開 整車碰撞學習筆記-01
創建剛性墻rigidwall則從接觸對應的是節點集合或者直接選擇all，直接在建立剛性墻是add從接觸集合，也無需進行約束固定；如果用mat20材料的板作為剛性墻則需要建立剛性墻與從接觸部件集合的接觸（surface to surface），結合需要是否對從接觸部分做Box（可做可不做），同時要對mat20材料的剛性墻進行約束固定。
后處理：
Ctrl＋F6可以截圖；
讓動畫動起來，點擊右上角命令，然后鼠標左鍵進行框選，框選完之后鼠標右鍵點擊確認，保存動圖即可。
接觸card edit中設置ignore＝1可以忽略模型前期的初始穿透。
各個系統之間的連接CRB，CRB對應的剛性單元分別在各自的系統include文件中,在一起導入到hyperworks中，可以建立單獨的connection的include文件進行保存；
整車自接觸中建立的set類型為part（因為這里面主要包含2D單元和沒有包殼的3D單元）
用UE編輯器修改k文件時，提前設置好列標志，注意數字不能超過列標志線，否則修改后的結果不是你想要的結果或者出現其它錯誤。尤其是偏置碰中我們移動和旋轉避障，就會經常用到。
f6創建網格單元，f12重新劃分網格。
焊接材料一般采用MAT100，焊點與整車的接觸類型為ContactSpotweld，或者設置接觸類型為NodesToSurface，從面選擇焊點集合。
傳感器單元建立在6面體剛性單元上，6面體剛性單元與柔性體上的節點通過剛性體與柔性體在Tools/Create Cards中選擇CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET進行連接連接的方式進行綁定連接。
展開 基于CATIA有限元的開檔消隙力計算方法研究
其有限元模型采用2D殼單元劃分網格，無需建立螺栓、螺母和套管網格。在U型開檔一側做出螺栓接觸圓環面，以圓環面中心點為主節點、該圓環面節點為從節點建立剛性單元；在U型開檔另一側做出螺母接觸圓環面，同理建立剛性單元。
圖1 某副車架U型開檔幾何模型
在螺栓和螺母接觸圓環面中心點上分別施加對向大小為1 k N的力，仿真計算出螺栓接觸圓環面中心點位移X1、螺母接觸圓環面中心點位移X2，則U型開檔夾持剛度K為
套管和U型開檔間隙L對應消隙力F為
1.2 消隙力的接近實際有限元計算方法
接近實際有限元計算方法如圖2所示，需裝配套管、螺栓和螺母，裝配件采用3D實體網格劃分，對其設置接觸關系、施加螺栓螺母預緊力，可仿真出U型開檔的非線性變形，結果更準確。用預緊力減去U型開檔和套管剛完全貼合時套管端面受力，即可得到消隙力。
2 基于CATIA有限元的消隙力計算
2.1 CATIA CAE模塊簡介
CATIA V5的Analysis&Simulation工程分析模塊提供了單個零件有限元（GPS,Generative Part Structural）分析模塊和裝配件有限元（GAS,Generative Assembly Structural）分析模塊，可進行靜力學、模態、屈曲、頻率響應和非線性等仿真分析[3]。
圖2 裝配緊固件的U型開檔幾何模型
車企中很多模型使用CATIA建模，基于CATIA含參幾何模型創建有限元模型后，對幾何模型的修改會自動更新，這有利于正向設計中的方案實時優化迭代。因此研究基于CATIA有限元的消隙力計算很有意義。
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