現(xiàn)代有限元仿真常含有多個結(jié)構(gòu)體，當結(jié)構(gòu)體有很強的剛度，且不是主要模擬對象時，我們會將這些結(jié)構(gòu)體看作是剛體。計算時，也無需考慮其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布，可以節(jié)約大量的計算資源。分析中，這些剛體可以是靜止或是運動的，對變形體產(chǎn)生接觸力，這種方式更接近真實物理工況，在大型工程仿真中有著大量的應(yīng)用。同時，隨著元宇宙Metaverse的興起，剛體有限元也會有更多的應(yīng)用。

仿真中可以定義為剛體的結(jié)構(gòu)類型很多。如汽車碰撞仿真中的障礙物，鈑金件壓鑄成型中的模具，高速沖擊中的沖擊物，密封系統(tǒng)中的金屬固件，跌落分析中的硬質(zhì)地面等等，可以說在工程仿真，尤其是瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，剛體的應(yīng)用相當廣泛。目前，WELSIM已經(jīng)支持了剛體的定義，并進行顯式動力學(xué)的求解計算。

結(jié)構(gòu)仿真中定義剛體有很多優(yōu)勢：

1. 減少計算量。

剛體不再需要計算其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變，僅需考慮表面網(wǎng)格的移動或轉(zhuǎn)動狀況，因此節(jié)約大量計算資源。

2. 簡化前處理過程。

剛體無需考慮材料、板殼單元的積分點等屬性，可以減少前處理時需要考慮的物理因素。

3. 減輕后處理負荷。

在后處理中，對于剛體可以做簡化處理。只需要顯示出剛體的位移和旋轉(zhuǎn)，無需顯示應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)屬性。

結(jié)合這些優(yōu)點，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)有限元仿真中，有大量的剛體與變形體結(jié)合的分析案例，在能得到符合物理真實情況的結(jié)果同時，又能簡化計算，減少計算資源，快速得到計算結(jié)果。

含有剛體的接觸分析

剛體往往涉及大量的接觸分析。盡管剛體和變形體計算方式不一樣，但接觸算法上基本一致。WELSIM中定義含有剛體的接觸對與不含剛體的接觸對方法是一樣的。值得注意的是，根據(jù)算法的不同，有的求解器可能傾向于將剛體定義為被動接觸面，用節(jié)點表示，將變形體定義為主動接觸面，用單元表面表示。

WELSIM中設(shè)置剛體

WELSIM提供了快速定義剛體的方式，用戶只需要在幾何體的屬性窗口中，將Rigid Body屬性從默認的False設(shè)置為True即可。在后續(xù)的計算與處理中，此幾何體都將看作是剛體。

當結(jié)構(gòu)體定義為剛體時，WELSIM會在有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)上增加一個額外的節(jié)點，用于表達當前結(jié)構(gòu)體的質(zhì)心。同時施加的邊界條件，在轉(zhuǎn)化為求解器文件時，都會施加在這個質(zhì)心節(jié)點上。由于已經(jīng)被定義為剛體，原本的網(wǎng)格單元在計算時會被忽略。僅在含有接觸計算時，會考慮剛體的表面網(wǎng)格。

WELSIM已經(jīng)在2023R2中增加了對于剛體的設(shè)置，同時支持了OpenRadioss求解器中剛體定義。以后的版本中不斷完善對剛體的支持。

WelSim與作者不隸屬于OpenRadioss團隊，和OpenRadioss開發(fā)者沒有直接關(guān)系。這里引用OpenRadioss等項目僅用作技術(shù)博客文章與軟件使用的參考。