一、刚体的概念解析
刚体(rigid body)在Abaqus有限元软件中是一种特殊的约束机制,其功能与耦合约束(Coupling Constraints)、壳体与实体耦合(Shell-to-Solid Coupling)以及基于表面的连接(Surface-Based Ties)等约束类型具有相似性,均通过对节点或单元集合的自由度进行一定程度的限制,或将它们的运动与参考点实现耦合来发挥作用。
从构成角度来看,刚体由节点集合或单元集合以及参考点这两个核心要素构成。在创建刚体的过程中,主要可以采用以下两种不同的方法:
1、在部件模块中,首先创建部件,然后生成刚体(包括离散刚体或解析刚体),最后通过工具模块设置参考点;
2、在部件模块中,先创建可变形部件,然后在交互模块中创建约束,接着定义刚体,并设置参考点,同时添加单元集(用于离散刚体)、连接节点集、固定节点集或解析表面。
需要注意以下几点:1中创建离散刚体时需要进行抽壳操作:通过形状工具中的壳工具,从实体生成壳体;2中的参考点需要在交互模块中创建;3在实际应用中,应优先考虑使用解析刚体,当几何结构较为复杂时,再考虑使用离散刚体。
二、刚体的适用场景
1、在产品研发的可行性验证阶段,可以将复杂几何结构中的非关键部分转化为刚体,从而有效缩短研发周期。一旦设计需求得到满足,可以解除刚体的定义,然后对细节进行进一步处理;
2、在进行多体动力学分析时,刚体能够精确地表示几何形状、质量以及转动惯量。此外,它还支持高精度的可视化模型和后处理功能;
3、当分析涉及两种或多种本构关系时,通常选择刚度较大的部件作为刚体,例如在金属成型分析中,冲头和模具等部件常被定义为刚体。
三、关于刚体的额外设置说明
1、在同一个刚体定义中,不允许存在共享的节点、单元或参考点;
2、刚体质心的位置是否需要调整,取决于该刚体是否在载荷作用下发生位移;
3、在热力耦合分析中,刚体可以被视为等温材料,在温度梯度的影响下产生线性变形,变形量则取决于该点到参考点的距离;
4、作用在刚体上的载荷由四个部分组成:绑定节点上的载荷、铰接点上的载荷、参考点上的集中力和集中力矩,以及作用在单元和表面上的分布力;
此外,刚体在边界条件、接触等方面的特性与变形体存在差异,其自身的局限性可详细参考用户手册的相关内容。