SimulationDesigner培訓(xùn)

1、Simulation 有限元分析培訓(xùn)劉軍劉軍2022年年2月月2日日2l第一章 分析入門l第二章 帶孔板分析l第三章 L形板分析l第四章 健身器輪組分析l第五章 軸孔接觸分析l第六章 手鉗應(yīng)力分析l第七章 火車輪過盈配合分析l第八章 滑輪殼分析l第九章 結(jié)構(gòu)件分析l第十章 音叉頻率分析l第十一章 吹風(fēng)機的頻率分析l第十三章 裝配體的頻率分析l第十四章 屈曲分析3產(chǎn)品正常使用的三個力學(xué)要求：產(chǎn)品正常使用的三個力學(xué)要求： 強度強度：物體抵抗破壞的能力 剛度剛度：物體抵抗變形的能力 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：物體受到載荷時在原有形狀下保持平衡產(chǎn)品常見的破壞形式：產(chǎn)品常見的破壞形式： 斷裂：實際最大應(yīng)力許用應(yīng)力

2、最大位移許用位移 失穩(wěn)傳統(tǒng)的驗證手段：材料力學(xué)材料力學(xué)和彈性力學(xué)彈性力學(xué)4FEA: Finite Element Analysis近似的結(jié)果，趨勢的研究5分析類型分析類型載荷：80kgf6靜態(tài)分析的三個假設(shè)條件：1. 載荷緩慢加載2. 材料線性并在線性范圍內(nèi)3. 小變形7部分基本概念： 其中為應(yīng)力，為縱向線應(yīng)變，為橫向線應(yīng)變，為泊松比，E為彈性模量8賦予材料：賦予材料： 主要指標(biāo)有：E彈性模量，泊松比，密度，屈服應(yīng)力，極限應(yīng)力，求解時需要E、，如果載荷有重力、加速度、離心力時需要；結(jié)果分析時需要。9約束模型：約束模型： 消除物體的剛體運動，如果物體沒有約束，就不會產(chǎn)生變形。約束的準(zhǔn)則約束的準(zhǔn)則

3、：約束條件忠實地反映實際工況剛體六個運動自由度必須被約束掉 約束最常見的錯誤是：過約束導(dǎo)致物體的剛度過大，或欠約束導(dǎo)致無法運算。10添加載荷： 載荷是緩慢加載的，載荷三要素：大小、方向、作用點。載荷也要盡量符合實際載荷情況。載荷：80kgf11離散化： 將連續(xù)實體離散成有限個基本單元。12運算看結(jié)果：13 典型有限元分析流程：CAD 模型模型 應(yīng)力應(yīng)力結(jié)果結(jié)果數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型有限元模型有限元模型14第二章第二章 帶孔矩形板分析帶孔矩形板分析材料：鋼AISI304約束：一端固定載荷：25000ib網(wǎng)格：1.默認(rèn) 2.縮小一半問題：1.波節(jié)應(yīng)力與單元應(yīng)力的區(qū)別2.查看應(yīng)力圖解3.應(yīng)力探測4.網(wǎng)格大

4、小對分析的影響單元大小的定義15結(jié)果是否可靠？結(jié)果是否可靠？ 1.網(wǎng)格細(xì)化，看每次分析結(jié)果是否收斂；2.波節(jié)應(yīng)力與單元應(yīng)力誤差5%以內(nèi)；3.和經(jīng)驗進(jìn)行對比；4.和理論解析解進(jìn)行對比；5.和成熟產(chǎn)品進(jìn)行對比；6.和實驗結(jié)果進(jìn)行對比。16有限元誤差的因素有限元誤差的因素l模型的偏差模型的偏差：CAD模型和實際產(chǎn)品的偏差（制造、裝配、造型的偏差）；l材料的偏差材料的偏差：材料理論數(shù)據(jù)和實際材料的偏差、不同批次材料的偏差、材料的缺陷、熱處理的不同；l約束約束/載荷的偏差載荷的偏差：實際產(chǎn)品的約束/載荷情況和模型中的約束/載荷情況的偏差，很多時候真實的約束/載荷很難數(shù)學(xué)描述，這種誤差是分析中最大的誤差所

5、在，也最難控制；l離散化誤差離散化誤差：有限元自帶的，無法消除，可以通過細(xì)化網(wǎng)格來減少l計算誤差計算誤差：有限元自帶的，無法消除和減少17第三章第三章 L形支架的靜態(tài)分析形支架的靜態(tài)分析 材料：鋼AISI304約束：一端固定載荷：200ib向下網(wǎng)格：1.默認(rèn)問題：1.網(wǎng)格控制2.應(yīng)力奇異性3.網(wǎng)格自動過度4.列舉反作用力18第一強度理論第一強度理論：最大正應(yīng)力準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)力）鑄鐵、石料（脆性材料拉伸破壞）第二強度理論第二強度理論：莫爾-庫倫（Mohr-Doulomb）準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)變理論）適用于：石料、混凝土軸向受壓第三強度理論第三強度理論：崔西卡（Tresca）準(zhǔn)則（最大剪切理論）鋼材等（

6、彈性材料塑性屈曲）結(jié)果偏安全第四強度理論第四強度理論：馮-米塞斯（von-Mises）準(zhǔn)則（最大形狀比能理論）鋼材等（彈性材料塑性屈曲）11r)(3212vr313r2132322214 )()()( 21r產(chǎn)品安全與否的評判依據(jù)？產(chǎn)品安全與否的評判依據(jù)？19第四章第四章 健身器輪組分析健身器輪組分析材料：灰鑄鐵、合金鋼約束：載荷：200ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問題：1.應(yīng)用靜力分析合適嗎？2.約束如何添加？3.載荷如何添加？4.圣維南原理5.裝配體與零件的不同之處？20第五章第五章 軸孔接觸分析軸孔接觸分析材料：合金鋼約束：如圖載荷： 300 psi 網(wǎng)格：1.默認(rèn)問題：1.真實接觸的定義2.對稱

7、約束結(jié)合結(jié)合自由自由無穿透無穿透局部局部零部件零部件全局全局高優(yōu)先級高優(yōu)先級低優(yōu)先級低優(yōu)先級21局部接觸類型局部接觸類型無穿透可以分離，但不可以相互穿透接合粘合在一起，不可分離允許貫通自由移動，可相互穿透冷縮配合用來分析過盈配合虛擬壁提供在類似平面上的支撐約束，比如土壤支撐等。選項：1.節(jié)到節(jié)節(jié)到節(jié)：源與目標(biāo)一開始就接觸在一起，并沒有顯著滑移，大位移分析不可用；2.節(jié)到曲面節(jié)到曲面：節(jié)點和曲面允許滑移和不接觸，大位移分析有效，計算更加消耗資源；3.曲面到曲面曲面到曲面：允許滑移和不接觸，無穿透常用，大位移分析有效。22第六章第六章 手手用虎鉗的接觸分析用虎鉗的接觸分析材料：Alloy stee

8、l約束：夾緊鋼板？載荷：50ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問題：1.簡化（鋼板、銷釘）2.多大的力使尾部接觸？3.此時應(yīng)力多大？真實嗎？23第七章第七章 火車輪過盈配合火車輪過盈配合 分析冷縮配合裝配體 使用對稱載荷 局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力解 解算器選項消除剛體模式24第七章第七章 火車輪過盈配合火車輪過盈配合周向應(yīng)力圖（使用局部圓柱坐標(biāo)系）周向應(yīng)力圖（使用局部圓柱坐標(biāo)系）為什么在接觸界面周向應(yīng)力值會有一個突變？裝配體在徑向的應(yīng)力會經(jīng)歷一個同樣的突變嗎？沿軸向的應(yīng)力分量沿軸向的應(yīng)力分量沿徑向的應(yīng)力分量沿徑向的應(yīng)力分量沿周向的應(yīng)力分量沿周向的應(yīng)力分量25第八章第八章 滑輪滑輪的殼體分析的殼體分析材料：Alloy

9、 steel約束：夾緊鋼板？載荷：50ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問題：1.實體或殼2.殼的指定3.殼的方向26網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型一個裝置的例子一階實體四面體單元（四個節(jié)點，每個節(jié)點三個自由度）二階實體四面體單元（十個節(jié)點，每個節(jié)點三個自由度）27網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型墻上托架的鈑金模型一階三角形殼單元（三個節(jié)點，每個節(jié)點6個自由度）二階三角形殼單元（六個節(jié)點，每個節(jié)點6個自由度）28網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型一個框架結(jié)構(gòu)的例子把框架分解成很小的直桿并應(yīng)用相似的變形到每個直桿（兩個節(jié)點，每個節(jié)點6個自由度）29第九章第九章 結(jié)構(gòu)件分析結(jié)構(gòu)件分析材料：普通碳鋼約束：底端固定載荷：1000ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)30第

10、十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析 每個結(jié)構(gòu)都有以特定頻率震動的趨勢，這一頻率也稱作自然頻率自然頻率或共振頻率共振頻率。 每個自然頻率都與模型以該頻率振動時趨向于呈現(xiàn)的特定形狀相關(guān)，稱為模式形狀。 當(dāng)結(jié)構(gòu)被頻率與其自然頻率一致的動態(tài)載荷激勵時，會承受較大的位移和應(yīng)力。這種現(xiàn)象就稱為共振共振。對于無阻尼的系統(tǒng)，共振在理論上會導(dǎo)致無窮的運動。但阻尼會限制結(jié)構(gòu)因共振載荷而產(chǎn)生的反應(yīng)。 單自由度無阻尼自由振動頻率31第十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析 如圖所示的音叉，被設(shè)計在440Hz的頻率下能夠釋放出一個較低的A音。 該音叉的設(shè)計可以通過頻率分析來驗證，是否是440Hz？ 基本頻率基本頻率：基本頻

11、率即最低的共振頻率。自然頻率的值與結(jié)構(gòu)在特定模態(tài)下所需要的能量級別成比例。因此，基本頻率下結(jié)構(gòu)體振動所需要的能量與其他所有的自然頻率相比是最小的。32第十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析最初的6個振動模態(tài)對應(yīng)著剛體模態(tài)。因為音叉沒有受到支撐，作為剛體它擁有6個自由度：3個平移自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度。Simulation檢測到的模態(tài)并賦予他們頻率的值為0Hz。注意：對于剛體模態(tài)的頻率分析，必須使用注意：對于剛體模態(tài)的頻率分析，必須使用FFEPlusFFEPlus解算器。解算器。Direct SparseDirect Sparse求解器不適用于剛體模態(tài)的頻率分析。求解器不適用于剛體模態(tài)的頻率分析。

12、自由無約束固定下部球面33第十一章第十一章 吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析 吹風(fēng)機的風(fēng)扇由于離心力的作用而使葉片受到拉伸應(yīng)力，這些應(yīng)力增加了葉片的剛度。增加的剛度稱為應(yīng)力剛度，將它添加到彈性剛度里面，也稱為葉片的形狀剛度。 實際上，旋轉(zhuǎn)的葉片比靜止的葉片更加堅硬，而且增加的剛性會影響到葉片的共振頻率。 針對旋轉(zhuǎn)葉片的基本頻率，研究由于離心力的作用而增加的剛性的影響效果。 1、不考慮剛度的增加 2、考慮剛度的增加34第十一章第十一章 吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析 壓力或拉力載荷會改變結(jié)構(gòu)體抗彎的能力。壓力會降低抗彎能力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力軟化。拉力能夠增加彎曲剛度，這種現(xiàn)象稱

13、為應(yīng)力硬化。 應(yīng)力軟化或硬化在靜態(tài)分析中都很重要，因為他們會影響結(jié)構(gòu)體的最終剛度，進(jìn)而改變對載荷的影響及振動屬性。 在靜態(tài)分析中，考慮載荷對剛度影響的正確方法是采用非線性分析。 在頻率分析中，應(yīng)力硬化或軟化的直接后果是改變自然頻率。35第十一章第十一章 吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析30003000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分的速度分的速度沒有旋轉(zhuǎn)沒有旋轉(zhuǎn)36第十一章第十一章 吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機風(fēng)扇的頻率分析頻率結(jié)果圖標(biāo)注：基本頻率的大小隨著網(wǎng)格的細(xì)化而降低，因為在使用更細(xì)的網(wǎng)格時，模型變得更加軟。因此基本頻率會根據(jù)以上因素達(dá)到收斂。雖然這些影響都非常小，或者說基本上沒有實用性。37第十二章

14、第十二章 裝配體的裝配體的頻率分析頻率分析 將零部件視為遠(yuǎn)程載荷 裝配體的頻率與零部件的質(zhì)量分布有關(guān) SW模型中，部分零部件可以不用真實建模 發(fā)動機部件視為具有對應(yīng)質(zhì)量和慣性的質(zhì)點 頻率分析中的接觸設(shè)置 結(jié)合或自由38第十二章第十二章 裝配體的裝配體的頻率分析頻率分析 頻率分析中不能指定無穿透接觸 頻率分析取決于模型的剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣 對于無穿透接觸，剛度矩陣取決于變形（不是常量） 如下圖所示的兩段梁梁:獨立的梁和相互接觸的梁振動特性完全不同39第十三章第十三章 屈曲分析屈曲分析 扭曲指在壓力作用下的突然大變形。細(xì)長結(jié)構(gòu)的物體在受到軸向載荷時，很容易因為扭曲而損壞，而且扭曲時所受到的載荷低于

15、導(dǎo)致材料失效的載荷。 在不同載荷的作用下，扭曲會產(chǎn)生不同的模態(tài)。大多數(shù)情況下，只有最低的扭曲載荷才是有意義的。 很多的結(jié)構(gòu)載荷都會影響到結(jié)構(gòu)剛度。拉應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力剛度，會增加彈性剛度；壓力產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)力剛度，會降低結(jié)構(gòu)的彈性剛度。 由于壓力作用而使彈性剛度降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度降低到0的時候，就會發(fā)生扭曲。 此方程描述了剛度抵消的結(jié)果： 彈性剛度矩陣 應(yīng)力剛度矩陣 特征值，乘以加載的載荷可以得到臨界載荷； 特征矢量，對應(yīng)扭曲的模態(tài)0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK40第十三章第十三章 屈曲分析屈曲分析扭曲可以視為這樣一種情況，就是載荷有一個微小的增加也會引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或坍塌在給定載荷和約束的情況下，線性扭曲分析可以確定特征值的大小注意：線性屈曲不考慮真實結(jié)構(gòu)中存在的缺陷或者非線性，因此，對線性扭曲分析的結(jié)果必須給與警示性說明。41第十三章第十三章