间隙单元

间隙单元是在三维空间中构建的双节点单元。此单元类型仅适用于线性材料模型的静态应力分析。

三维空间中指定的两个端节点将定义间隙单元。系统仅计算每个单元的单元轴向力,且根据设置仅生成压缩力或拉伸力。不会为间隙单元定义基于单元的载荷。

压缩间隙在间隙闭合之前不会激活;拉伸间隙在间隙打开之前不激活。因此,由于条件的不确定,有限元模型与间隙单元关联的结构行为始终是非线性行为。间隙是处于闭合还是打开状态,均无法提前得知。迭代求解方法可用于确定间隙单元的状态(打开或关闭)。

由于分析为线性分析且使用小变形理论,因此仅考虑原始间隙单元方向上的运动。侧向运动不影响间隙单元的状态。

通常,间隙单元有三大应用。从单元输入来看,每一应用均有各自的特征。这些内容简要概括如下:

应用类型 单元方向 输入单元刚度
结构边界的刚性支撑,用于计算支撑反作用力 单元必须与整体 X、Y 或 Z 轴对齐 比结构中的其他法向刚度大三到四个数值阶次
空间中结构的两个面之间的界面单元 可在任何方向上定义单元 与结构中其他法向刚度的数值阶次相同
结构底座与地基之间的弹簧 可在任何方向上定义单元 从地基土壤计算得出的实际弹簧常数

避免间隙单元过度坚硬(弹簧刚度较大),以致无法与全局坐标系对齐。这种单元将较大的非对角值引入结构刚度矩阵,导致难以求解。得出的解也有可能不准确。对于应用类型 (1) 中使用的刚性间隙单元来说,提供的弹簧刚度(比结构中的其他法向刚度大三到四个数值阶次)已足够。

注: 此内容适用于手动创建的间隙单元(在模型的两个节点之间或模型与地面之间绘制的直线)。自动创建的间隙或接触单元(CAD 模型、二维自动网格或手动构建的模型)略有不同。请参见接触类型页面。

使用间隙单元

间隙单元参数

如果使用间隙单元,请先在“单元定义”对话框的“类型”下拉菜单中,为部件选择要使用的间隙单元类型。其中提供以下选项:

类型 间隙单元行为
含间隙压缩 仅当节点朝彼此移动相当于间隙单元原始长度的距离时,单元才会传递压缩载荷。部件之间计算得出的间隙等于在部件之间绘制的间隙。
含间隙拉伸 仅当节点朝彼此移动相当于间隙单元原始长度的距离时,单元才会传递拉伸载荷。(请将此类单元视为具有从动节点的钢丝或环链。如果钢丝或环链拉伸到原始长度的两倍,则传递拉伸载荷。)
无间隙压缩 只要节点朝彼此运动,则单元传递压缩载荷。由于定义间隙单元的直线长度不能为 0,因此模型中的部件之间必须存在物理间隙。此类接触单元可补偿建模间隙。
无间隙拉伸 只要节点朝彼此反向运动,则单元传递拉伸载荷。

下一步是在“刚度”字段中定义间隙单元的刚度。有关刚度准则,请参见上一段“间隙单元定义”中的表。

复制真实弹簧(拉伸或压缩)或链状排列(仅拉伸)时,请输入已知刚度。杆或导线的刚度 (k) 可通过以下公式计算得出:k=A*E/L。其中,A 为横截面面积,E 是弹性模量,L 是杆的长度。复制部件间接触时,需要刚性刚度。与材料模量数值阶次相同的刚度便已足够。即便两个值使用不同的单位(力/长度和力/长度的平方)时,也是如此。计算刚度的另一种方法是使用刚度的定义:k = F/Δ。其中 F 是通过单元传递的力,Δ 则是单元中的压缩或延伸度。您可根据模型选择合理的 Δ。如果可以估计接触力,则可计算出所需的刚度。

使用间隙单元的注意事项

  1. 确保已定义单位制。
  2. 确保模型使用“线性材料模型静态应力”分析类型。
  3. 将间隙单元绘制为直线。请参见下面的“绘制间隙单元的提示”。
  4. 对于要成为间隙单元的部件,请在其“单元类型”标题上单击鼠标右键。
  5. 选择“间隙”命令。
  6. “单元定义”标题上单击鼠标右键。
  7. 选择“编辑单元定义”标题。
  8. “类型”下拉框中,选择要应用的间隙单元类型。
    • 如果单元仅应在新长度小于零时才处于活动状态,请选择“含间隙压缩”选项。
    • 如果单元仅应在新长度大于原始长度两倍时才处于活动状态,请选择“含间隙拉伸”选项。
    • 如果单元仅应在新长度小于原始长度时才处于活动状态,请选择“无间隙压缩”选项。
    • 如果单元仅应在新长度大于原始长度时才处于活动状态,请选择“无间隙拉伸”选项。
  9. “刚度”字段中,输入间隙单元的刚度。这是必填信息,如果不提供相应的值,则处理器无法运行。
  10. “确定”按钮。
  11. 根据需要添加刚度较小的边界单元,以稳定部件。有关附加信息,请参见执行间隙单元分析

绘制间隙单元的提示

  1. 绘制连接对应节点的直线。使用“绘制”“绘制”“直线”命令。
  2. 使用“绘制”“设计”“接触单元”命令。此命令将在两组顶点之间自动创建直线。对于线性应力(假定变形较小),通常仅需绘制面之间的最短垂线。在这种情况下,请使用“限制长度”选项。请参见添加几何体页面中的“向模型添加接触单元”段落。
  3. 将直线从一个面复制到对应面,并在此过程中使用该选项连接副本。然后,将连接线定义为间隙单元。假设两块板彼此接触。请不要逐一为间隙单元绘制直线,而应采取以下操作:
    1. 在匹配面之一上选择直线(“选择”“选择”“直线”)。
    2. 使用“绘制”“图案”“移动或复制”启动“复制”命令。
    3. 激活“复制”复选框。确保将要创建的副本数设置为 1。
    4. 激活“连接”复选框。
    5. 设置副本的总距离和方向矢量。如果不确定距离或方向,请使用“矢量选择器”按钮单击两个顶点。
    6. 单击“确定”。选定的直线将复制到匹配面,且面之间的直线将成为间隙单元。
    7. 由于此操作将在匹配面上创建原始直线的副本,但这些额外的直线并不需要,因此请单击“删除”。(完成该命令之后,创建的最后一个副本仍处于选中状态。)
    8. 最后一步:将连接线更改为可定义为间隙单元的部件编号。此步骤通常包括:使用框选择(“选择”“形状”“矩形”)来选择连接线,单击鼠标右键,单击“编辑属性”并输入适当的部件编号。如果使用框选择,则整条直线必须位于选择矩形的内部。因此,部件各面上的直线也会选中。请勿更改这些直线的属性。通过框选择这些直线时使用相减模式(同时按住 Shift 键和 Ctrl 键),可取消选择面上的直线。(请参见修改和复制属性页面。)

有关间隙和表面接触单元共有的附加信息,请参见执行间隙单元分析