应力奇异是有限元计算中很有意思的一个现象,由于模型的几何关系,在求解应力函数的时候得到的应力结果会趋于无穷大。

下面,猫亮设计用solidworks simulation来解释一下在有限元计算中应力奇异是怎么产生的。

我们用下面这个L形直角支架做为例子来演示应力奇异是如何产生的。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

边界条件

材料:合金钢

约束:顶面固定

载荷:右端面加载垂直向下的力1000N

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

第一次试算

采用默认网格对整个结构进行单元划分。应力结果显示最大von Mises应力位于模型中间部分直角位置处,此处的应力值为423Mpa。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

第二次计算

使用网格控制,选择直角处的边线对单元网格进行细化,网格参数设置单元个大小为1mm,单元格过渡比率为1.1,重新划分网格,网格重新划分后,直角处的网格被加密。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

重新进行有限元计算,计算后模型中间部分直角位置处的von Mises应力变为522Mpa,相比于第一次计算,应力值增大了100Mpa。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

第三次计算

使用网格控制,选择直角处的边线对单元网格进行细化,网格参数设置单元个大小为0.5mm,单元格过渡比率为1.1,再次重新划分网格。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

重新进行计算,von Mises应力变为754Mpa,应力值增加220Mpa。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

第四次计算

这次采用大小为0.25mm的网格对模型划分单元格。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

单元格划分完成后再次计算,von Mises应力达到了1061Mpa。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的

在整个计算过程中,无论我们如何对网格进行加密,我们都无法得到一个趋于稳定的解,应力值反而越来越大,这就是所谓的应力奇异现象

应力奇异产生的位置位于模型的绝对尖角处和刚性约束处,因为这些地方无法产生应变,在数学计算中,应力趋于无穷。

在实际结构中并不存在绝对尖角和刚性约束,所以在有限元计算中,我们要注意避免因模型的几何结构造成应力奇异,影响分析结果。

为了符合实际结构,我们在模型的直角处添加一个R5的圆角,消除几何上的尖角,同样用第四次计算中的网格划分方式,在网格控制中选择圆角的面,网格大小仍为0.25mm。经过重新计算,最大应力值下降到了381Mpa,应力奇异被消除,此时的应力值符合真实的情况。

solidworks simulation有限元分析中的应力奇异是怎么产生的