HyperMesh的rbe2,rbe3都是什么?主从点的关系,rbe2比rbe3刚性强?

初学者通常对rbe2,rbe3感到头疼,因为经常求解器会因为主从关系的不匹配而报错。常见的报错为“grid xxx in rbe2 xxx. has double dependency” (记不清了,大概是这样)。报错就是某某节点有双重依赖关系,什么意思呢?这就要从rbe2、rbe3单元说起。

rbe2,rbe3单元统称为rigid body elements。在Nastran/OptiStruct/Abaqus求解器中很常见,最新版的Abaqus已经把他们归类为constraints,但是本质还是没变,就是约束连接节点之间的运动关系,说白了,保证力的传递。他们在模型中通常长这样:

rbe2-rbe3

不用研究了,这两个模子是一样的,但是主从点是颠倒的。

rbe2,rbe3中的主从节点

rbe2中,主点只有一个在中心,从点是单元抓的一簇节点。rbe3中则相反,主点是所抓的一簇点,而从点是中心节点。

要始终记住,节点之间的关系,永远是从点跟着主点走,就像小孩跟着爸爸走一样。所以对于rbe2来说,四周抓的一簇节点永远跟着中心的主点走。而对于rbe3单元,永远是中心主点被一簇主点拽着走。这是第一层意思。

rbe2单元从节点跟着走很好理解,主节点走任何的dx,dy,dz位移,从节点都跟着走这么多。对于rbe3单元来说,就有点麻烦了。一个从点要跟着这么多主点,那它到底是跟哪个点位移协调呢?实际是所有主点的位移,都会影响中心从点的位移。那么到底是怎么影响的呢,其实,可以对每个主点设置权重,权重高的,就对从点影响多一点。HyperMesh中创建rbe3单元时,软件会自动根据主从节点的位置距离关系,自动计算跟距离变化的权重,即距离越近,权重越高。当然,你也可以手动指定所有主节点的权重都相同为1。这是第二层意思。

rbe2,rbe3单元的常见报错

常见报错基本都集中在主从节点关系错乱上,比如一个从节点,连接了多个rbe2单元,如下图

4号节点连接两个rbe2单元
4号节点连接两个rbe2单元

可以看到4号从节点连接了2个rbe单元,这种情况就要报错。就像4号节点作为一个孩子,他不能跟着两个爸爸走,对吧?

对于rbe3单元也类似,参考下面的图,1号节点同时作为两个rbe3单元的从节点,那它到底听谁的呢,他就迷糊了,迷糊了就要报错。

rbe3单元的依赖关系报错

那如果是下面这种情况呢?rbe2单元像叠罗汉一样叠加上去。

多个rbe2叠加关系

节点1作为最下面rbe2单元的主节点,又作为了第二个rbe2单元的从节点。这种情况会报错吗?不会,类似你虽然是你娃的爸爸,但你同时也是你爹的儿子,这个关系天经地义,你还有祖宗,所以这个叠罗汉可以一直往上叠。

为什么有rbe2/rbe3单元?

回过头来,为什么会有rbe2/rbe3这种单元呢?现实中的连接关系,无非是焊点、螺栓、胶粘、缝焊这些,并没有一种工艺是rbe2/rbe3工艺吧,那为什么不去建立这种真实的工艺连接关系,而要去做rbe2/rbe3单元呢,还是那两个字,简化。

如果做个螺栓连接,你去把螺栓用实体单元建立出来,再将螺栓和他的连接件之间建立约束,那这样模型很复杂,也不容易收敛,所以看你到底想仿真哪部分的性能,如果你只是想评估全局的结构刚性模态,那这个螺栓是否用真实的实体单元建模对你结果的影响很小。所以这种情况就可以用rbe2单元来简化,类似下图。而如果你是想要研究螺栓附近结构的应力,那就需要详细建模,同时还要更近一步,添加螺栓预紧力了。

为啥叫rigid body elements啊,就是因为刚性足够刚,就想打上螺栓,就可以认为是同一个刚体了。

rbe2单元等效螺栓连接
rbe2单元等效螺栓连接

rbe2/rbe3常见的应用场景

除了上面的用rbe2单元代替螺栓连接的案例,rbe3单元通常用于配重。

比如有个零件,内部十分复杂,要划分网格划不来,但是其内部结果对于我所需要分析的部位的影响很小,常见的比如排气管三元催化器。还有的零件,内部是水,对我来说他的重量对我的分析有影响,但是我不需要将水划分网格,直接赋予零件质量就行。这类零件比如车身前舱里面的很多支架支撑类零件如洗涤液壶、冷却壶等。

在建模上怎么操作呢,对于排气管这类,通常需要研究的是排气管连接到车身的挂钩在排气管挂上之后模态问题,这时候需要将排气管外表面先建模出来,然后将质量点通过rbe3单元赋予给三元催化的位置。对于整根排气管来说,还可以将质量点直接赋予排气管外表面的单元,在HyperMesh中,直接使用0d-mass就可以赋予conm2质量单元。更近一步对于提及较大的不见,可以打开拓展选项,激活惯量参数,从而在模型中考虑惯量的影响。

对于洗涤液壶这类,通常来说连建模都不用了,因为我们关注的是支架支撑重量后的模态问题,以及强度问题,直接在洗涤夜壶的支架安装点上创建rbe3单元,将质量点赋予rbe3的从节点即可,当然,惯量信息也最好赋上。

你可能发现了,这类问题用的都是rbe3,同样都是刚性单元,为啥不用rbe2单元呢?这就要考虑rbe2单元对结构本身的加强作用了,因为rbe2单元的从点都跟主点走,相当于所有从点之间都是互相绑死的,所以刚性会很强。而对于rbe3单元,其中心位置的从点确实跟着主点走,但是从点本身如果不跟结构连接(即只赋予质量点的情况),那对结构本身是没有加强作用的。这也是为什么很多老工程师说的“rbe2单元比rbe3单元刚性更强”。其实不是更强的问题,对于rbe3单元来说,可以完全没有刚性作用。

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