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12.19
迈曦通用结构分析软件MxSim.Mechanical中的tie约束是一种强大而灵活的连接处理方法，其原理如图1所示，这种约束通过巧妙地"粘接"不同部件的表面，有效限制它们之间的相对运动，从而实现复杂结构中各组件的紧密连接。tie约束的独特之处在于其简洁的参数设置和出色的计算收敛性，这些特点使其在多种仿真分析场景中得到广泛应用，包括但不限于：多部件连接结构的模拟，例如在汽车车身结构分析中，使用tie约束可以有效模拟焊接点或粘接区域，简化模型的同时保证结构整体性能的准确评估，如图2a所示；复合材料结构的分析，例如在航空航天领域，tie约束常用于模拟碳纤维复合材料层间的粘接，帮助工程师评估层压板在各种载荷下的性能，如图2b所示；局部细节的强化分析，例如在桥梁工程中，tie约束可用于连接主梁与加劲肋，允许工程师在保持整体模型简洁的同时，对局部应力集中区域进行精细分析，如图2c所示。复杂装配体的整体分析，在大型机械设备（如挖掘机）的整机分析中，tie约束可以有效连接各个部件，使得整机性能评估成为可能，如图2d所示。总之，通过巧妙地运用tie约束，工程师们可大幅简化模型建模过程，同时保持较高的计算效率，这不仅节省了宝贵的时间和计算资源，还能有效提高仿真结果的准确性和可靠性。
图1 tie约束示意图
图2 tie约束应用场景举例
MxSim.Mechanical中实现tie约束方式的算法有“点对面”和“面对面”两种，其中“点对面”算法对主、从面网格相对大小要求较高，即主面网格与从面网格尺寸接近或大于从面网格尺寸，如不满足此要求，计算精度会出现较大偏差，甚至得出错误的结果。而”面对面“算法对主、从面的网格尺寸大小不敏感，较“点对面”方法计算精度更高、交界面连接过渡更加光滑，可适用于主、从面上单元网格尺寸相差较大的情形，应用范围更广。因此MxSim.Mechanical软件中对tie约束默认设置为”面对面“算法。
在实际工程应用中，除以上因素外，tie约束的正确使用还需要工程师权衡并考虑多个因素：如计算精度与效率、非线性问题、热-机耦合效应以及在动态分析中的特殊考量等，通过模型验证、敏感性分析、结果后处理和多方法对比等策略，工程师可以确保tie约束的合理应用，从而获得更加准确和可靠的仿真分析结果，为产品创新和优化提供坚实基础。
部件粘接仿真分析
分析模型如图3所示，由上、下两个部件构成，两部件的交界面处通过粘接进行连接，下方部件底部固定，在上方部件边缘处施加向上的拉力。由于在交界位置处上、下部件划分的网格尺寸存在较大差异，仿真分析时无法通过共节点连接，可在交界面处设置tie约束进行处理，将上方部件的下表面设定为从面，下方部件的上表面设定为主面，对此模型中的tie约束分别采用“点对面”和“面对面”算法进行分析，与主流有限元分析软件的计算结果对比如图4、图5所示。
图3 部件粘接tie仿真分析
图4 MxSim.Mechanical中“点对面”tie约束
图5 “面对面”tie约束
从以上结果可看出：MxSim.Mechanical中的“点对面”tie约束算法用于主、从面网格尺寸相差较大，特别是主面网格尺寸小于从面网格尺寸时的连接计算时，在tie连接处会存在不光滑、失真等问题，而“面对面”tie约束算法能很好地处理该问题，且其结果与主流分析软件计算结果非常接近，较“点对面”算法的准确、合理，适用性更强。
芯片温度载荷变形分析
芯片模型如图6所示，内部各元器件固定在中间平板的不同位置处，同时又与芯片外壳“粘接”，芯片模型所用材料包含随温度变化的热敏感材料、各向异性材料等多种复杂材料，模型整体承受的温度载荷为ΔT=180℃。为提升网格划分效率、简化计算，在芯片内各部件之间的”粘接“均采用tie约束进行处理，其与主流有限元软件计算结果对比如图7、图8所示。
图6 芯片模型
图7 模型整体位移
图8 模型内部tie约束区域位移
以上计算结果表明，不管是模型外部区域还是内部的tie约束区域，MxSim.Mechanical算出的位移分布结果与主流分析软件计算结果高度吻合，且最大位移值偏差小于1%，验证了MxSim.Mechanical对于tie约束计算的准确性、可靠性。
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