NFX|如何使用弹簧单元进行热变形分析
1.有限元求解器有强制规则：
模型不能存在未约束的刚体自由度。如果全部自由度无约束，模型会发生无限制漂移、旋转，求解直接报错终止，无法计算热变形、热应力。热变形是温度引发的构件自身膨胀 / 收缩形变，属于物体内部弹性变形；但刚体漂移不属于变形，必须提前限制。
2. 温箱热变形场景的矛盾点（为什么普通约束不能用）
恒温舱内产品仅平放底板、无螺栓 / 夹具固定：
真实物理：产品可以自由热胀冷缩，不能加刚性全固定约束（刚性约束会强行锁住变形，算出虚假热应力）； 求解规则：又必须限制整体漂移、旋转，否则算不了。这里出现冲突：既要允许产品自由热变形，又要消除刚体 位移。
3. 弹簧单元是解决矛盾的等效工具
采用极低刚度接地弹簧单元作为弱约束：
极小刚度弹簧只会抵消整体刚体平移、旋转，不会限制产品自身热胀冷缩； 补齐模型全部 6 个自由度约束，满足求解器计算条件； 几乎不产生附加约束应力，仿真结果贴近温箱真实试验状态。
本文将对恒温试验舱内部工况展开详细分析，工况特点如下：
1）产品仅放置在舱内底板上，不存在螺栓紧固等额外固定约束
2）环境温度发生变化时，产品可自由产生热膨胀或冷收缩
3）产品整体温度均匀，不存在内部温度梯度
若要对舱内产品开展热变形仿真，需要解决三个核心问题
1）无实体固定的模型该如何设置约束
2）全域均温模型对应的载荷如何定义
3）选择何种仿真类型进行计算
针对上述难点，本文档将介绍两类方案：
1.约束难以施加时的等效约束搭建方法
2.恒温舱这类特殊工况下的载荷定义与仿真类型选取流程
在定义单元特性，选取弹簧刚度时，数值必须足够小，不能对结构自身变形产生干扰。弹簧单元仅用于约束刚体自由度，不得额外影响产品真实热变形，因此需要输入合理刚度，推荐取值范围为 0.01~0.1N/mm
* 接地弹簧的推荐刚度需根据仿真模型自身刚度进行调整。常规模型推荐取值 0.01~0.1N/mm；如果模型整体刚度很大，可采用 1N 及以上的刚度。即便已经通过接地弹簧完成自由度约束定义，若仍弹出“error2007”约束不足报错，请适当增大弹簧刚度后重新输入。
另外注意：弹簧刚度单位跟随软件当前单位体系，若切换单位制，刚度数值需要手动换算修改
恒温试验舱可将内部试验环境设置为目标温度并开展试验，也就是说，能够让待测产品整体达到设定温度。
常规工况下，若要依据温度分布结果分析热变形，需要先进行热传导分析；通过热传导分析得到产品全域温度分布，再开展热应力分析，查看不同温度区域对应的热变形。
但恒温舱工况下，产品整体温度统一等于舱内设定温度，不存在温度梯度，全域温度均匀。因此无需提前做热传导分析，仅直接运行热变形仿真，即可得到产品变形量。
热变形分析用于求解温度载荷引起的结构形变，可采用常规线性静力学分析，或根据材料、工况条件选用非线性静力学分析完成计算
热应变依据下述公式进行计算
𝜶 : 热膨胀系数 , 𝚫𝑻 : 温度变化量
温度变化量的计算方式为：试验舱设定温度减去仿真模型的初始基准温度。举例说明：若试验舱从 25℃升温至 90℃后分析热变形，则热应变计算公式为：热膨胀系数 × (90℃ − 25℃)。初始基准温度的输入界面如下图所示
当长度为 L 的构件全域温度均匀变化时，热变形量可依据下述公式进行计算
𝜺𝑻 : 热应变 , L : 原始长度 , 𝜶 :热膨胀系数, 𝚫𝑻 : 温度变化量
补充说明：若发生热胀冷缩的构件不存在任何位移约束限制，构件内部不会产生任何内力。换言之，热应力产生的根源是构件胀缩过程中自由度约束带来的边界限制；而本文档采用刚度极小、几乎不干涉构件变形的接地弹簧单元，因此模型不会产生显著的热应力。
示例
在算例 2 中，若增大弹簧刚度值，工件沉降位移会减小，但应力反而会增大。
仅考虑温度载荷时，模型只会产生热膨胀变形结果；若同时施加温度与自重载荷，工件会在重力作用方向出现向下沉降的现象。此时产生的位移大小会随所输入的弹簧刚度变化，应力数值也会随之改变。
当需要考虑自重带来的工件与试验舱底板之间的相互作用时，应参照算例 3 的方式，对试验舱底板进行几何建模后再开展分析
