车辆结构有限元分析-约束及应用

在了解了载荷后，下面对Mechanical常用约束进行介绍。

1.固定约束

固定约束包括固定面约束、固定边约束和固定点约束，如图4-182所示，用于约束所有的自由度。

对于面约束，不仅限制面的位移，还可限制面的边的变形；对于边约束，不仅可以限制直线或曲线的位移，还可以限制其变形；对于点约束，用于限制点的位移。

2.位移约束

这类约束施加于几何体的面、线、顶点，用于约束这些几何体素相对于原点或局部坐标的位移，允许在X、Y和Z方向给予强制位移，当某一方向的位移量输入0值时，代表此方向被约束，如果不设定某个方向的值，则意味着实体在这个方向上不受约束，即能自由移动。为了便于理解位移约束的概念，下面举例说明。

图4-182 固定约束

a）固定面约束 b）固定边约束 c）固定点约束

1）作用于面上的位移。图4-183所示的X、Y、Z方向非零约束，被约束面保持它的原始形状，但是可以相对坐标原点按照指定位移向量运动。这种对面施加强制性的位移会引起模型的变形。图4-184为零位移约束。约束面在Y方向不能移动、旋转或者变形。在X和Z方向不进行定义。约束面在XZ平面可以自由运动、旋转、变形。

图4-183 X、Y、Z方向的非零约束

图4-184 Y方向零位移约束

2）作用于边上的位移。在边上施加X、Y、Z方向的非零约束，如图4-185所示，被约束的边保持原始形状，但是可以相对原点按照指定向量产生位移。在边上强制施加位移，会使模型发生变形。例如在边的Y方向施加零约束，如图4-186所示，在Y方向上，被约束的边不能发生位移、旋转和变形，在XZ平面，被约束边可以自由运动、旋转和变形。

图4-185 作用于边上的X、Y、Z方向的非零约束

图4-186 作用于边上的Y方向的零约束

3）作用于顶点上的约束。作用于顶点上的非零约束如图4-187所示，顶点可以相对坐标原点按照指定位移运动。在顶点施加强制性位移会引起模型产生变形。在顶点施加零位移约束如图4-188所示，顶点在Y方向不能自由移动，在XZ平面可以自由移动。

图4-187 作用于顶点处的非零约束

图4-188 作用于顶点处Y方向的零约束

3.无摩擦约束(www.xing528.com)

无摩擦约束（图4-189）实际是在面上施加了法向约束。对称实体受到对称的外载荷时，这个约束可以作为对称面的边界条件，因为对称面等同于约束了法向位移。这一约束不仅可以抑制面的移动，而且约束了面在法线方向上不发生变形。

4.圆柱面约束

在3D仿真计算过程中，圆柱面约束用于约束圆柱面的位移或者圆柱面在径向、轴向、切向的组合方向上发生变形。径向、轴向、切向三个方向的固定或约束释放都可以任意组合。

径向约束（相对圆柱体）如图4-190a所示。抑制被约束圆柱面相对圆柱体在径向运动或变形。被约束圆柱面在轴向和切向可以自由移动。圆柱体在轴向和切向可以自由移动、旋转和变形。

图4-189 无摩擦约束

图4-190 圆柱约束

a）径向约束 b）轴向约束 c）切向约束

轴向约束（相对圆柱体）如图4-190b所示。抑制被约束圆柱面相对圆柱体在轴向运动或变形。被约束圆柱面在径向和切向可以自由移动。圆柱体在径向和切向可以自由移动、旋转和变形。

切向约束（相对圆柱体）如图4-190c所示。抑制被约束圆柱面相对圆柱体在切向运动或变形。被约束圆柱面在径向和轴向可以自由移动。圆柱体在径向和轴向可以自由移动、旋转和变形。

在2D仿真过程中，圆柱约束只能施加在圆边上。

5.只有压缩的约束

只有压缩的约束是指给一个或几个几何体表面施加只有法向压缩的约束。这个约束仅仅限制这个表面在法向正方向发生的移动，这在Mechanical内部计算一般需要一个迭代求解。

6.简单（支）约束

简单（支）约束可以施加在梁或壳体的边缘或者顶点上，当然简单（支）约束仅限制平移，但是所有旋转都是自由的。

在边上施加简支约束只适用于3D仿真，如图4-191所示。边的每个方向的自由度都被固定，但允许围绕该边旋转。这种约束适用于面模型或者线模型。

在顶点施加简支约束只适于3D仿真，如图4-192所示。顶点在各个方向固定，但是允许旋转。这种约束仅适用于面模型或者线模型。用于抑制一个或多个顶点运动，允许围绕该顶点转动。如果想约束围绕该点方向的旋转，可以在该点施加固定约束，如图4-192所示。对顶点施加的简支约束与结构实际受到的约束会有很大差异，容易造成应力奇异（靠近该点，应力极大），所以应该对该点及其附近的应力或应变计算结果忽略。

图4-191 在边上施加简支约束

图4-192 在顶点施加简支约束

7.固定旋转

固定旋转主要应用于壳或其他体的表面、边缘或者顶点上，它仅约束旋转，但是平移不受限制。