Altair Taiwan Blog

又到了一年一度聖誕季，各大商場都鉚足了勁地裝飾一新，聖誕樹更是成了每家力爭心意的主要元素。而如何讓聖誕樹安全直立於地面，是一項極為艱巨的任務。

今天Altair應用工程師Evan Brennan將帶我們一起去看看，他是如何做到將高4-5米，重達300多斤的聖誕樹安全固定住的。

每年感恩節之後的週五，我們一家人都會去林場砍伐松樹來為耶誕節裝飾房屋。

我們砍的樹木通常高4-5米，重達300多斤！讓這些大樹安全地直立著一直是一項艱巨的任務。因為底部的支架強度不足以支撐不穩定的樹，有時甚至需要將安全繩綁在樓梯扶手上。

但是今年，我們發現了一個似乎可以完美完成任務的樹架！該樹架由超過60斤的焊接鋼製成，並使用四根大螺紋杆將樹固定在適當的位置。

我使用 Altair Inspire™對樹架設計進行建模和分析，以此作為樹架的基準強度測試。

Brennan家的聖誕樹

支架的真實照片與 Altair Inspire CAD 幾何圖形

Altair Inspire 提供了一個出色的平臺，可通過極其友好且易於學習的使用者介面快速準確地運行不同的有限元模型。

只需按一下一下按鈕就可以定義複雜的載荷、約束和接觸，這使得測試和運行不同載荷工況變得輕鬆而有趣。

快速視覺化和分析有限元模型的結果，並在同一視窗中調整幾何形狀或載荷，簡化了傳統有限元分析的繁瑣過程。

實際載入這棵樹支架意味著模擬一棵真正的4米多的樹會施加在支架上的負載。

這包括樹木直落在基座上的重量，更重要的是，樹木自然傾翻的瞬間所產生的力矩。該負載通過底座和四個螺釘傳遞，擰緊後可保持樹木穩定。

集中品質通常在FEA中用於對大型/重型物件進行建模，這些物件不需要進行精確建模，但會影響其餘模型的行為。

在整個演示過程中，我將使用放置在樹木重心附近的集中品質（450斤）和水準重力載荷來模擬樹木傾翻的趨勢。

該載荷包括兩個水準載荷4g（一個平行於一條腿，一個比前者轉了45°）和一個垂直下降2g的載荷

約束有限元模型通常是過程中最困難和主觀的部分。不同的約束可能導致截然不同的結果，有些約束比其他約束更現實。

Inspire中的支撐可以在所有6個自由度中固定或自由釋放，這可以用來形成現實的約束。約束不僅涉及支撐，還涉及零件之間的接觸以及發生變形時如何允許它們移動和相互作用。

探索許多不同的約束組合並將結果相互比較是有限元分析流程的重要組成部分，而 Inspire 使其變得輕鬆有趣。

樹架模型中用於支撐和接觸的所有6個自由度

大多數 Inspire 用戶的最初反應是使用所有6自由度中鎖定的支撐來約束所有與地面接觸的面。

這是一種易於運行的基線分析，可以檢查幾何形狀和接觸是否建模正確，但是顯然這不是現實的支持案例，我們將瞭解其原因。

焊接在一起的表面被指定為粘合（藍色），而其他表面則被定義為僅接觸（綠色），這意味著它們可以彼此分離但不會相交。

平行于撐腳方向的載荷工況

45⁰工況

高應力區域位於直接支撐樹的焊接螺母和螺栓中。

雖然該區域很可能是由於薄焊縫而在模型中的薄弱點，但應力也應分配到模型的基座和支腿中，但是基座中間的固定支撐只能使應力通過碗/基地和地面或支援。

腿部沒有任何負載，因為模型過分受約束且沒有實際作用。我將探索更多的載荷情況和模型反覆運算，以逼近更實際的載荷和約束。

為了使下一步更接近現實，我將在一張大底板上建模，代表展臺，即樹所在的房間的地板。

對剛性地板進行建模並使用不同種類的接觸件來探索其對模型的影響可能比以前案例中的支撐約束更為實際。

同時，我們將嘗試對具有支援約束的相同情況進行建模，並比較兩者的結果。

我們正在嘗試模擬的是，樹木向一側傾斜，這會抬起支架的一側，將另一側推入地面。

我不會鎖定模型的所有四隻腳，而是只使用平行載荷箱，而使三根與力不受約束的支腳不受約束：這意味著工作表模型中未粘結的觸點（紅色圓圈）且在模擬物中不受支援。

我將這種運行稱為“單腳鎖定”。

底板支撐的單腳鎖定模型的結果表明，固定在腳上的腿中有很大的位移和應力。這正是我們所預想的，一個很大的載荷集中在撐腳一個小區域內。

此外，我們看到帶底板的模型結果和直接約束撐腳的模型的結果非常相似。儘管可以預料到這些結果，但它們仍然不夠現實，因為如果不傾斜到單腿的一側，然後與另一條腿分擔負載，樹木和支架永遠不會造成太大的變形。

因此，更現實的模型將使用45°移位的載荷箱並鎖定指向載荷方向的兩個支腳，同時解鎖模型另一側的支腳。我還將在任何地方將G負載降低到2g，這樣壓力和位移就不會那麼強烈了。

我將這種模式稱為“雙重鎖定”。

這個模型非常接近如果樹開始翻倒時我們期望發生的情況。應力通過與軀幹接觸的螺栓移動到彎曲的腿中。

剩下的唯一問題是，由於頂部的負載直接施加到側面，並且基座可以自由抬起，因此基座仍可以從地面抬起。

為了限制這種舉升，我看到了兩種可能的解決方案：鎖定垂直舉起的邊緣（通過支撐或接觸）或將負載向下傾斜30°以模擬樹木倒下。

基本邊緣支援模型

向下傾斜負載

前兩個模型是我要針對正在模擬的場景的實際撓度和應力。

樹木傾倒會通過螺栓驅動應力，由於薄焊縫，應力是應力集中的點。尖端方向上的兩條腿分擔載荷並彎曲，從而在與底座的連接點附近產生高應力。

由於我們調整了約束，因此不會出現不穩定的偏轉或抬離地面。所有這些反覆運算的載入/約束過程都在短短幾天內完成，每次運行不到15分鐘。

使用Inspire的使用者友好介面進行的FEA流程快速，輕鬆且準確。快速定義複雜載荷，約束和接觸的能力無與倫比。