ansys Workbench 有间隙和滑移的弹簧单元——Combin40单元 原创

问题：

      最近碰到一个仿真，内容大概是壳里有个弹簧 然后重锤沿着滑道掉落到弹簧支撑上。开始打算分步载荷加载，先让重物刚好接触弹簧再利用接触或线形弹簧combin14进行连接，但是如果物体反弹脱离弹簧就很难控制。后来想直接在重物下面和底面支撑之间建立个非线性弹簧combin39，一段极小刚度，然后一段正常刚度，但是交接过渡处刚度很陡峭计算不易收敛。

方案：

      然后在帮助文档中就突然看见了救星——combin40单元。Combin40单元有个gap 功能可以非常方便模拟弹簧与重物接触前的间隙部分。即重物下落这段距离在没有接触弹簧时，就是gap距离，此时弹簧对重物没有载荷关系。当下落接触弹簧时，gap距离填满，立即自动切换为普通线形弹簧。并且如果重物反弹脱离弹簧后，gap功能继续有效。这个combin40单元简直就为了这个仿真场景专门设定的一个单元。

并且 由帮助文档可以知道，combin40 单元的弹簧功能还有FSlide选项，即弹簧在受力拉伸或者压缩时，还可以设定一个极限值，表征弹簧K1的最大弹性力或者断裂失效极限值。这个在模拟摩擦滑轨或者弹簧断裂失效时也是很方便的，最重要的是该弹簧单元类似线性弹簧14单元计算快没有负担。

 

下面列出本人的一点使用体验：

      Combin40弹簧与普通的combin14 弹簧单元对比:

壳体底面固定支撑，直接给重物设定Z向位移，（分五个载荷步，然后提取底壳的支撑力进行对比）

施加的位移载荷：

 

两种弹簧单元提取的支撑反力载荷：

Combin14 弹簧 在重物底面和底壳之间正常建立弹簧连接，设定刚度12；

Combin40 弹簧 在重物底面和底壳之间正常建立弹簧连接，再插入command命令更改为40单元，设定间隙2mm 刚度12；

普通弹簧单元，在整个位移过程中底壳一直有载荷作用，即只要两个连接面有位移差，就有弹簧力。

Combin40 弹簧单元， l 可以看到在初始约2mm的下降过程中底壳支反力几乎为0。 l 最大位移4mm对应的支反力也刚好是12*（4mm-2mm）=24N； l 并且在反向位移-1mm时，对应的支撑力F又变为了0N，弹簧gap仍然有效。

 

瞬态坠落过程：

      瞬态坠落仿真也非常丝滑，可以反应出重物下落对弹簧的最大冲击力；和重物反弹脱离弹簧后的反弹高度；和重物逐渐衰减震荡过程。

 

扩展应用：

鉴于combin40弹簧单元的gap功能这么好用，对于模拟地面支撑也非常适合。模拟地面支撑，workbench提供了compression only support约束方式，但是这个约束类似与建立个接触面进行非线性接触支撑，计算收敛性需要调试，计算时间也会增加。但是如果利用combin40单元，给支撑面的每个节点都创建一个对地的弹簧单元，并且设定一个大刚度和小的gap间隙，是不是也可以体现支撑面的单向支撑效果。

 

      示例：做了一个平板落在一个框架上，在重力作用下看边缘支撑和平板的变形状态。

对比支撑和平板间摩擦接触面VS接触部位节点对地的combin40单元

对比支撑和平板间摩擦接触面	支撑不起作用只是模型对照。在平面支撑面的每个节点都建立对地的combin40单元

 

从计算时间和收敛性上看

 combin40单元有无可厚非的优势，再对比变形结果，变形状态翘边形态也几乎一致。

 

注意事项：

      Combin40单元在上述类型的仿真场景中优势明显，但是使用过程也有不少需要注意的地方。

l 不同与WB建立的普通弹簧单元（要求弹簧两端点不能位置相同），combin40单元要求两端点位置相同（位置不相同不会报错但是有警告信息），

l 并且combin40单元只能约束一个方向的载荷，需要十分注意节点的方向。但全局坐标系与弹簧预设的方向不一致时，需要主动调整节点的方向。

l Combin40弹簧单元提供的FSlide功能也很有特点，负值可以模拟弹簧的断裂失效。

 

 

鉴于最近对combin40单元的使用体验如此舒服，而在WB中使用需要插入command命令，并且需要十分注意单元方向和节点顺序（特别是传力方向与全局坐标系不一致，而模型有比较大时，经常会command命令写错方向，反复多次测试），因此笔者计划将该单元的使用，结合自身需求制作为ACT插件。