一个案例多种分析，透视振动响应的仿真精度规律！

    无论是静力学分析还是动力学分析，就结构强度评估来说，主要有五个方面明显影响仿真精度：

1）工况，静载、动载、疲劳工况；

2）材料参数，应力应变曲线或SN曲线等；

3）零部件之间的连接关系定义；

 4）网格划分，网格类型和网格尺寸等；

5）应力结果后处理方法；

    本号发现网络上的仿真教学案例，绝大部分在仿真精度方面缺少研究和评估。假设工况是正确的，网络上的仿真教学案例主要还存在如下问题：

1）材料参数如杨氏模量和泊松比误差不大，但SN曲线随意选用。

2）零部件之间的连接定义非常考察分析者的经验，比如对焊接、点焊、螺纹连接、粘接等连接关系的建模方法和细节考虑。绝大多数案例没有介绍这方面知识。

3）虽然位移结果(刚度分析)对网格细节不敏感，但应力应变结果(强度分析)和网格特性相关度较大。绝大多数案例没有介绍这方面知识。比如四面体和六面体的不同选择、以及不同位置的网格尺寸都可能明显影响强度结果。

4）后处理中，对应力的解读也非常粗糙和笼统。比如在弹性分析中，应力奇异现象是很常见的，应力奇异位置的应力是伪应力，如果不加以区分，可能会得到错误的结论。绝大多数案例也没有介绍这方面知识。

    5）总体来说，网络上的仿真教学案例绝大多数属于传授仿真流程和软件功能操作，存在学习价值，但始终属于基础课，入门级。达不到真正解决工程问题的深度。

    本号最近在开展结构动力学完整解决方案训练营，老师在课上反复强调了两点：

1）结构动力学仿真在软件操作层面不比静力学仿真复杂，但准确仿真振动响应比准确仿真静力响应要难很多。

2）振动响应的准确仿真虽然难度大，但不表示振动响应的仿真结果就没有参考价值。

    本文通过一个案例表明：虽然建模细节，每个人有不同的操作，并且也不能简单评价哪种建模方法更好(除非有试验数据对标，即使有对标，往往也有凑结果的嫌疑，从理论上不能完全解释)。但是可以看出，即使建模方法有所区别，只要在合理范围之内，有些振动响应结果是不变，这种仿真结果的稳定性本身就证明了仿真的价值，并且能为工程设计作指导。

    几何模型如下图所示。

    下部方钢管抽壳后使用一阶壳单元，上部槽钢使用二阶四面体单元。

    对于焊缝5和6来说，由于焊缝截面积和槽钢截面积相差不大，在连接刚度等效上，可以直接使用重合面积作为绑定接触区域。

    但对于焊缝1、2、3、4来说，实际焊缝截面积要远小于重合面积。使用重合面积作为绑定区域在操作层面会更方便，但连接刚度会偏大。使用实际焊缝面积作为绑定区域，连接刚度会更合理，但需要提前分割出小面，这会增加几何处理工作以及网格划分难度。

06.1 模态分析

    连接刚度偏大。

    连接刚度合理。

    模态频率结果对比，在1000Hz以内，频率差距很小。

    以上的对比结果能给与我们一个启发：在一定的频率范围，连接刚度定义偏大或偏小，对模态结果影响较小。

06.2 谐响应分析

    定义频率范围为100-500Hz，阻尼比假设为0.03，单位载荷下，位移频响曲线。

    提取中间槽钢横梁上表面的平均位移响应与频率的关系。

06.3 响应谱分析

    定义响应谱如下图所示。

    连接刚度偏大情况下，位移和等效应力响应。

    连接刚度合理情况下，位移和等效应力响应。

    1）本文案例所作的模态分析、谐响应分析、响应谱分析都属于线性分析，材料参数只需要密度、杨氏模量、泊松比。一般来说，各种材料的这三个参数一般都能准确获得，这是高精度仿真分析的第一个保证。

    2）本文案例由于零部件较少，在网格划分细密情况下，网格总数量依然可控。在实际工程中，如果分析对象包含更多的零部件，为了控制网格总数量，可能需要对几何模型进行更深入的前处理，以及对全场网格的粗细要有合理的规划，这一块知识对高精度仿真也存在显著影响，但本文暂未涉及。

    3）本文案例重点考察了连接刚度对分析振动响应的影响，分析结果表明，连接刚度定义偏大或偏小，对模态结果、谐响应结果、响应谱结构的影响都相对有限。这种现象能给与我们一个启发：只要建模合理，建模细节对振动响应的影响在一定频率范围内是可以不计较的。

    4）本文对比的结果，选择了位移和非应力集中(含应力奇异)位置的应力。并且选取的应力位置要远离连接位置。所以这些应力水平只能表明构件的名义应力，可以用于构件规格的尺寸选型。连接位置的应力水平是非常难以评估的，比如焊缝这块的振动应力评估难度极大，和建模细节非常相关。

    5）针对连接位置，比如焊缝的强度评估，本号的建议是，在准确把握主要构件的应力水平前提下，可以通过构造措施和工程经验加以保证，计算方法可以采用仿真和经验相结合的方法。

来源：华仿CAE