第6章　SOLIDWORKS Simulation數(shù)字化仿真分析

SOLIDWORKSSimulation數(shù)字化仿真分析陸6.1有限元方法的基本概念SOLIDWORKSSimulation是一款基于有限元技術(shù)的數(shù)字化仿真分析軟件。在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)中，F(xiàn)EA（FiniteElementAnalysis）也稱(chēng)之為有限單元法，是一種求解關(guān)于物理場(chǎng)問(wèn)題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。將幾何體剖分成相對(duì)小且形狀簡(jiǎn)單的實(shí)體，這些實(shí)體稱(chēng)為有限單元。在外力作用下，一切固體都將發(fā)生變形，也稱(chēng)之為變形固體，而設(shè)計(jì)構(gòu)件一般均由固體材料制成，所以說(shuō)構(gòu)件一般都是變形固體，而SOIDWORKSSimulation的“靜應(yīng)力分析”的研究對(duì)象也是針對(duì)變形固體。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設(shè)對(duì)物體材料的假設(shè)：1）連續(xù)性假設(shè)。認(rèn)為整個(gè)物體在其空間內(nèi)到處無(wú)空隙地充滿物質(zhì)，如不考慮鑄件中的因鑄造缺陷引起的孔隙。2）均勻性假設(shè)。認(rèn)為物體內(nèi)的任何部分其力學(xué)性能相同。如不考慮因表面熱處理產(chǎn)生的表面特性與內(nèi)部的不同。3）各向同性假設(shè)。認(rèn)為物體內(nèi)在各個(gè)不同方向上的力學(xué)性能相同，如不考慮鍛造件不同方向的不同力學(xué)性能。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設(shè)對(duì)求解條件的假設(shè)：1）材料線性假設(shè)。物體對(duì)應(yīng)用載荷的響應(yīng)是成固定比例的，如果載荷加大一倍，那么變形也加大一倍，如果去掉載荷，那么模型沒(méi)有變形，零件將會(huì)恢復(fù)最初形狀（沒(méi)有永久變形）。2）載荷靜態(tài)假設(shè)。載荷是緩慢地逐漸地施加的，因?yàn)闆_擊載荷會(huì)導(dǎo)致額外的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，在SOIDWORKSSimulation的“靜應(yīng)力分析”中不考慮該因素。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設(shè)從基本假設(shè)來(lái)看，系統(tǒng)對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行了理想化處理，這必然帶來(lái)分析結(jié)果的誤差，這稱(chēng)之為理想化誤差，這無(wú)法避免，所以分析結(jié)果作為設(shè)計(jì)參考，而不是等同于實(shí)測(cè)結(jié)果，要學(xué)會(huì)從分析結(jié)果獲取有效信息，而不是全盤(pán)依賴(lài)分析數(shù)據(jù)。6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理論

6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理論在實(shí)際使用時(shí)只需注意，塑性材料使用第三強(qiáng)度理論時(shí)可進(jìn)行偏保守（安全）的設(shè)計(jì)；而第四強(qiáng)度理論可用于更精確設(shè)計(jì)，要求對(duì)材料強(qiáng)度指標(biāo)、載荷計(jì)算較有把握。脆性材料使用第一強(qiáng)度理論，用于拉伸型和拉應(yīng)力占優(yōu)的混合型應(yīng)力狀態(tài)；而第二強(qiáng)度理論僅用于石料、混凝土等少數(shù)材料。6.1有限元方法的基本概念6.1.3材料6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束約束代表所給的模型是如何附著于外部世界的，如物體固定到一個(gè)表面、允許滑動(dòng)等，約束是基本應(yīng)力分析中的必要基本條件，合理的約束通?？蓽p少零部件算例的大小。6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束實(shí)際工程分析中，約束要依據(jù)具體工況正確的添加，約束的過(guò)度與缺失均會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。6.1有限元方法的基本概念6.1.5載荷按外力的作用方式分為表面力和體積力。1）表面力。作用于物體表面的力，又可分為分布力和集中力，分布力是連續(xù)作用于物體表面一定區(qū)域內(nèi)的力，如船體上的水壓力，集中力是作用于一點(diǎn)的力，如火車(chē)輪對(duì)鋼軌的壓力等。SOIDWORKSSimulation提供了力、扭矩、壓力、軸承載荷等載荷形式。2）體積力。截荷作用于整個(gè)模型，SOIDWORKSSimulation提供了引力、離心力、溫度等載荷形式。6.1有限元方法的基本概念6.1.5載荷載荷按外力的性質(zhì)分為靜載荷和動(dòng)載荷。1）靜載荷。載荷緩慢地由零增加到某一定值后，不再隨時(shí)間變化，保持不變或變動(dòng)很不顯著。2）動(dòng)載荷。載荷隨時(shí)間而變化，動(dòng)載荷可分為構(gòu)件具有較大加速度、受交變載荷、沖擊載荷三種情況，交變載荷是隨時(shí)間作周期性變化的載荷，沖擊載荷是在瞬時(shí)內(nèi)發(fā)生急劇變化的載荷，本教材不涉及到動(dòng)載荷問(wèn)題。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格SOIDWORKSSimulation中提供了三種基本的單元類(lèi)型，實(shí)體單元、殼單元及梁（桿）單元。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（1）實(shí)體單元

將模型分解成為很小的四面體塊并應(yīng)用相似的變形到每個(gè)小塊。草稿品質(zhì)網(wǎng)格高品質(zhì)網(wǎng)格6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格草稿品質(zhì)網(wǎng)格高品質(zhì)網(wǎng)格（2）殼單元對(duì)于鈑金和薄零件的通常使用殼單元進(jìn)行劃分。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（3）梁（桿）單元

梁?jiǎn)卧怯蓛蓚€(gè)端點(diǎn)和一個(gè)橫斷面定義的直線單元。梁?jiǎn)卧址譃闄M梁?jiǎn)卧丸旒軉卧?，橫梁?jiǎn)卧軌虺休d軸載荷、折彎載荷、抗剪載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。桁架只能承載軸載荷，桁架通常用在諸如橋梁、屋頂、電塔和其它建筑和結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合。無(wú)論橫梁和桁架構(gòu)件的實(shí)際橫斷面形狀如何，都會(huì)顯示在實(shí)際橫梁幾何體中或顯示為空心圓柱體。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（4）混合網(wǎng)格模型中存在不同幾何體，對(duì)不同的幾何體需要使用不同的網(wǎng)格類(lèi)型時(shí)，程序自動(dòng)使用混合網(wǎng)格。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格不同密度的網(wǎng)格6.1有限元方法的基本概念6.1.7結(jié)果圖解應(yīng)力圖解位移圖解應(yīng)變圖解安全系數(shù)圖解6.1有限元方法的基本概念6.1.8誤差數(shù)字化仿真結(jié)果并非實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中存在著一些固有的誤差。1．求解誤差。求解誤差是在計(jì)算過(guò)程中積累的，難以控制，但幸運(yùn)的是，他們通常都很小，對(duì)結(jié)果影響有限。2．離散誤差。通過(guò)離散化過(guò)程，將數(shù)學(xué)模型劃分成有限單元，這一過(guò)程稱(chēng)為網(wǎng)格劃分。載荷和支撐在網(wǎng)格完成后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限單元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上。而這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不可避免的誤差，離散化誤差是FEA特有的，也只有這個(gè)誤差能夠在使用FEA方法時(shí)被控制。3．建模誤差。影響數(shù)學(xué)模型的建模誤差，是在FEA之前引入的，只能通過(guò)正確的建模技術(shù)來(lái)控制，也稱(chēng)為理想化誤差。如實(shí)際加工產(chǎn)生的誤差、建模時(shí)未考慮的鑄造缺陷等，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)結(jié)果影響較小的、可以忽略不計(jì)的特征等。6.1有限元方法的基本概念6.1.8誤差誤差不可避免，分析時(shí)不能想著要得到一個(gè)完全正確、符合實(shí)際的結(jié)果，而是要判斷結(jié)果誤差是否在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。6.2SOLIDWORKSSimulation的基本操作流程建立數(shù)學(xué)模型建立有限元模型求解有限元模型分析結(jié)果6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用基本零件示例6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用新建算例添加材料添加夾具第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用添加載荷生成網(wǎng)格運(yùn)行求解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用默認(rèn)圖解定義安全系數(shù)圖解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用安全系數(shù)圖解變更安全系數(shù)圖解參數(shù)第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用復(fù)制算例添加基準(zhǔn)面第二步添加虛擬壁6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用新位移圖解新應(yīng)力圖解第二步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用細(xì)化網(wǎng)格第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用三種網(wǎng)格應(yīng)力圖解對(duì)比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用三種網(wǎng)格位移圖解對(duì)比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應(yīng)用受力體由于幾何關(guān)系，在求解應(yīng)力函數(shù)的時(shí)候出現(xiàn)的應(yīng)力無(wú)窮大。而根據(jù)彈性理論，在尖角處的應(yīng)力是無(wú)窮大的，由于仿真分析軟件的離散化誤差，有限元模型并不會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮大的應(yīng)力結(jié)果，而會(huì)隨著網(wǎng)格的細(xì)化，得出的應(yīng)力值大幅度增加的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)探測(cè)遠(yuǎn)離奇異點(diǎn)的位置的應(yīng)力值得到可靠的數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)離應(yīng)力奇異位置的應(yīng)力、安全系數(shù)值受網(wǎng)格大小影響非常小，在可接受范圍內(nèi)。6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用實(shí)際零件結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，而復(fù)雜的零件在網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算等方面都有著較高的挑戰(zhàn)，為了提高網(wǎng)格劃分效率、降低計(jì)算時(shí)間，通常會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除一些對(duì)結(jié)果影響較小的特征，如外圓角、標(biāo)志、螺紋、小孔等。6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用Defeature6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用為網(wǎng)格簡(jiǎn)化模型6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用復(fù)雜零件示例6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用簡(jiǎn)化模型切除模型分割面6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用新建基準(zhǔn)面添加虛擬壁添加固定6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用添加對(duì)稱(chēng)添加力添加引力6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用添加對(duì)稱(chēng)添加力添加引力6.3.2復(fù)雜零件6.3零件中的應(yīng)用當(dāng)零件達(dá)到一定的復(fù)雜程度時(shí)，其分析時(shí)間將大大延長(zhǎng)，甚至?xí)r長(zhǎng)會(huì)以天為單位，所以對(duì)于模型的簡(jiǎn)化就顯得尤為重要了，實(shí)際工作中切不可拿到模型就開(kāi)始分析，一定要先審慎的評(píng)估模型該如何分析，有需要時(shí)會(huì)采用草稿品質(zhì)網(wǎng)格快速的做一次評(píng)估，以確定相關(guān)條件是否添加合理。6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)中梁結(jié)構(gòu)通常都屬于大型構(gòu)件，如果用實(shí)體單元進(jìn)行仿真計(jì)算，其計(jì)算效率將很難被接受，SOLIDWORKSSimulation通過(guò)梁?jiǎn)卧獙?duì)此類(lèi)零件進(jìn)行仿真，在計(jì)算效率與結(jié)果準(zhǔn)確性中有著很好的平衡。6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用梁類(lèi)零件6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用兩種固定條件下的結(jié)果對(duì)比6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用桿梁零件示例6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用新建算例添加夾具添加載荷6.3.3桿梁類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用生成網(wǎng)格應(yīng)力圖解安全系數(shù)圖解6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用殼單元具有方向性對(duì)于厚度尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬的零件而言，在劃分網(wǎng)格時(shí)很容易導(dǎo)致在厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)較少，甚至只有一層網(wǎng)格，如果這類(lèi)網(wǎng)格在整個(gè)零件中占比較高時(shí)，零件的整體結(jié)構(gòu)剛度會(huì)出現(xiàn)較大誤差，SOLIDWORKSSimulation通過(guò)殼單元對(duì)該類(lèi)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，典型的零件如鈑金件、曲面實(shí)體。6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用殼類(lèi)零件示例6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用水平分割面豎直分割面添加坐標(biāo)系6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用定義殼屬性添加鏈接添加夾具6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用定義殼屬性添加鏈接添加夾具6.3.4薄板類(lèi)零件6.3零件中的應(yīng)用應(yīng)力圖解6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何在一定條件下使得尺寸最優(yōu)，是廣大設(shè)計(jì)人員所面臨的一大難題，如果每個(gè)尺寸均代入進(jìn)行仿真分析，再對(duì)比各結(jié)果確定最優(yōu)尺寸，顯然時(shí)間成本是巨大的，甚至說(shuō)現(xiàn)實(shí)中根本不允許這樣操作。此時(shí)可以輸入確定的條件，由軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，給定最優(yōu)解。6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用尺寸優(yōu)化示例6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用新建坐標(biāo)系添加夾具添加載荷6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用添加軸承載荷生成網(wǎng)格位移圖解6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用生成設(shè)計(jì)算例添加變量6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用設(shè)定變量參數(shù)添加傳感器6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用輸入約束參數(shù)輸入目標(biāo)參數(shù)6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用分析情形分析結(jié)果6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應(yīng)用模型優(yōu)化結(jié)果6.4裝配體中的應(yīng)用當(dāng)分析一個(gè)裝配體時(shí)，使用者必須理解零部件間是如何接觸的，只有合理的接觸條件，才能保證分析結(jié)果能獲取到正確的接觸應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)。6.4.1零部件接觸6.4裝配體中的應(yīng)用接合模擬粘合兩實(shí)體。接觸可以防止兩實(shí)體由于變形成產(chǎn)生交叉干涉?？臻e允許零件因變形侵入另一零件中。6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應(yīng)用基本裝配體示例6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應(yīng)用排除零件設(shè)定剛性零件添加連結(jié)6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應(yīng)用添加夾具添加載荷6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應(yīng)用劃分網(wǎng)格簡(jiǎn)化裝配配置6.4.2基本裝配