基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法

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1、基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法 2011-10-17 15:38:08??作者：西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院陳永當(dāng)任慧娟 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院武欣竹??來源：CAD/CAM與制造業(yè)信息化 · 　　本文通過實例詳細(xì)探討了基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法，包括Simulation Xpress應(yīng)力分析、Simulation結(jié)構(gòu)有限元分析以及優(yōu)化分析。 　　有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)是隨著計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計算方法，是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。在機(jī)械工程中，有限元法

2、已經(jīng)作為一種常用的方法被廣泛使用。凡是計算零部件的應(yīng)力、應(yīng)變和進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)計算及穩(wěn)定分析等都可以用有限元法。 　　Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運(yùn)用Simulation，普通的工程師就可以進(jìn)行工程分析，并可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。其基本模塊能夠提供廣泛的分析工具來檢驗和分析復(fù)雜零件和裝配體，它能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析、設(shè)計優(yōu)化、線性和非線性分析等。 　　一、Simulation有限元分析的一般步驟 　　不管項目多復(fù)

3、雜或應(yīng)用領(lǐng)域多廣，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導(dǎo)，還是聲學(xué)分析，對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解的基本步驟是一樣的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。 　　1.有限元求解問題的基本思路 　　(1)建立數(shù)學(xué)模型。Simulation對來自SolidWorks的零件或裝配體的幾何模型進(jìn)行分析。該幾何模型必須能夠用正確的適度小的有限單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改可以采取特征消隱、理想化或清除等方法。 　　(2)建立有限元模型。通過離散化過程，將數(shù)學(xué)模型剖分成有限單元，這一過程成為網(wǎng)格劃分。離散化在視覺上將幾何模型劃分為網(wǎng)格。然而，載荷和支撐在網(wǎng)

4、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元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上。 　　(3)求解有限元模型。創(chuàng)建有限元模型后，使用Simulation的求解器進(jìn)行求解。 　　(4)結(jié)果分析?？傮w來說，結(jié)果分析是最困難的一步。有限元分析提供了非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用各種格式來表達(dá)。對結(jié)果的正確解釋需要熟悉和理解各種假設(shè)、簡化約定以及在前面三步中產(chǎn)生的誤差。 　　2.Simulation使用步驟 　　以上介紹了Simulation有限元分析的基本思路，在實際應(yīng)用Simulation進(jìn)行分析時，一般遵循以下步驟：創(chuàng)建算例、應(yīng)用材料、添加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格、運(yùn)行分析和分析結(jié)果。 　　二、Si

5、mulationXpress應(yīng)力分析 　　SolidWorksSimulationXpress為SolidWorks用戶提供了一款初步的應(yīng)力分析工具。通過在計算機(jī)上測試用戶的設(shè)計，SimulationXpress可以幫助用戶減少昂貴費(fèi)時的實體測試，降低成本及減少投入市場的時間。SimulationXpress的向?qū)Ы缑鎸⒁龑?dǎo)用戶完成分析，其中優(yōu)化分析是可選模塊。 　　本文以“手機(jī)殼”模型為例說明SimulationXpress的功能。首先，選擇菜單欄“工具”→“SimulationXpress”，啟動SimulationXpress向?qū)?。分析之前，可以設(shè)置單位系統(tǒng)和分析結(jié)果的保存位置。

6、　　(1)應(yīng)用材料?？梢允褂肧imulationXpress賦予材質(zhì)，也可以在建模時將材料指定給零件。 (2)添加約束。在“約束”選項卡中定義固定約束。每個約束可以包含多個面，受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個面，以防由于剛性實體運(yùn)動而導(dǎo)致分析失敗，結(jié)果如圖1所示。 　　圖1手機(jī)殼約束添加 (3)施加載荷。在“載荷”選項卡中，可以選擇力或壓力載荷類型。以“壓力”為例，在圖形區(qū)域中，選取需要加載荷的面。所指定力的數(shù)值將應(yīng)用至每個面，如需改變方向，勾選“反轉(zhuǎn)方向”，就可完成施加載荷，結(jié)果如圖2所示。 　　圖2手機(jī)殼載荷施加 　　(4)運(yùn)行分析。此過程將一次性完

7、成模型的網(wǎng)格劃分，及模型計算。 　　(5)優(yōu)化零件。完成應(yīng)力分析后，如有必要可以進(jìn)行優(yōu)化分析。在“結(jié)果”選項卡中，逐步按照向?qū)У奶崾具M(jìn)行。 (6)查看結(jié)果。完成應(yīng)力分析(或優(yōu)化分析)后，可以單擊“結(jié)果”選項卡查看結(jié)果。在界面中，可以選擇播放或保存動畫，也可以生成HTML報告或eDrawings文件，手機(jī)上、下殼應(yīng)力分析的結(jié)果如圖3、圖4所示。 圖3手機(jī)上殼應(yīng)力圖解 　　圖4手機(jī)下殼應(yīng)力圖解 　　從操作過程來看，SimulationXpress操作簡單，能進(jìn)行初步的應(yīng)力分析，但功能有限，使用中帶有局限性。SolidWorksSimulation可以提供更多的高級分析功能，在下面

8、的分析中，將使用Simulation作為分析工具。 　　三、Simulation結(jié)構(gòu)有限元分析 　　本文以“軸”為例來說明使用Simulation進(jìn)行零件靜態(tài)分析的基本操作。由于細(xì)長軸上有一個通孔，因此用力學(xué)的知識求解將會非常復(fù)雜，而使用Simulation有限元分析求解則相當(dāng)容易。 　　(1)建立算例。算例是由一系列參數(shù)定義的，這些參數(shù)完整地表達(dá)了物理問題的有限元分析。當(dāng)對一個零件或裝配體進(jìn)行分析時，想得到它在不同工作條件下的反應(yīng)就要運(yùn)行不同類型的分析。一個算例的完整定義包括分析類型、材料、負(fù)荷、約束和網(wǎng)格。在這一步驟中，可以為本算例設(shè)定一個名稱，并同時設(shè)定算例的“類型”為“靜態(tài)”。

9、 　　(2)應(yīng)用材料。在運(yùn)行算例之前，必須定義模型的材料屬性。在Simulation中定義材料不會更新已在SolidWorks中為CAD模型分配的材料。在裝配體中，每一個零件可以指定不同的材料。 　　(3)添加約束。為了完成一個靜態(tài)分析，模型必須被正確地約束。Simulation提供了各種夾具來約束模型，一般而言，夾具可以應(yīng)用到模型的面、邊和頂點(diǎn)。單擊Simulation工具欄“夾具”下拉菜單的“固定幾何體”，完成對零件約束的添加。當(dāng)某個面添加了約束之后，就可以看到夾具符號出現(xiàn)在該面上。夾具符號分別用箭頭和圓角表示各方向的移動和轉(zhuǎn)動自由度的限制。本文中選擇“固定幾何體”夾具類型，意味著所有的

10、6個自由度，包括三個移動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度都被限制了。 (4)施加載荷。單擊Simulation工具欄中“外部載荷”下拉菜單中的“壓力”，完成對零件載荷的施加，結(jié)果如圖5所示。 (5)生成網(wǎng)格。單擊Simulation工具欄中的“運(yùn)行”下拉菜單中的“生成網(wǎng)格”，完成對零件的網(wǎng)格化，結(jié)果如圖6所示。 圖5添加約束及施加載荷 　　圖6生成網(wǎng)格 　　(6)運(yùn)行算例。完成應(yīng)用材料、添加約束、施加載荷和對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，就可以進(jìn)行分析了。單擊Simulation工具欄中的“運(yùn)行”，系統(tǒng)就開始進(jìn)行分析，并彈出運(yùn)行窗口，其中會顯示分析節(jié)點(diǎn)、單元以及自由度的數(shù)目。 (7)顯示結(jié)果。

11、運(yùn)行結(jié)束之后，SimulationStudy樹中增加了“結(jié)果”文件夾，并且“結(jié)果”下還有應(yīng)力、位移、應(yīng)變和安全系數(shù)四個圖解選項。其圖解分別如圖7～圖10所示。可以看到最大vonMises應(yīng)力為251MPa，沒有超出材料的屈服應(yīng)力355MPa。如果增大載荷，超出材料的屈服應(yīng)力時，系統(tǒng)會在圖例中以紅色箭頭標(biāo)記顯示。 圖7應(yīng)力圖解 圖8位移圖解 　有時為了需要，還要查看軸內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況。此時，可以在查看應(yīng)力分布圖解的界面下，右擊“應(yīng)力”選擇“截面剪裁”，然后根據(jù)自己的需求，拖動坐標(biāo)軸，確定要剪裁的位置。本文中查看了軸通孔處的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果如圖11所示。 　　 圖11截面

12、剪裁 (8)生成報告。經(jīng)過結(jié)果分析后，可以將結(jié)果生成研究報告，以方便查閱、演示和存檔。 　　四、Simulation優(yōu)化分析 　　在工程設(shè)計中，設(shè)計方案往往不是唯一的，從多個可行方案中尋找最優(yōu)方案的過程，被稱為優(yōu)化設(shè)計(Optimal Design)。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計工作者一直追求的目標(biāo)。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，工程中的優(yōu)化問題就是求解極大值和極小值的問題，亦即極值問題。通過Simulation的優(yōu)化分析，可以從眾多的設(shè)計方案中搜索最佳解決方案，以最低的成本獲得最好的效益，提高設(shè)計效率。 　　以軸為例，進(jìn)行Simulation優(yōu)化分析，方法如下。 單擊“評估”下的“設(shè)計算例”，然后分別對“

13、變量”、“約束”和“目標(biāo)”進(jìn)行設(shè)置。選擇軸的直徑為設(shè)計變量，選擇節(jié)應(yīng)力的大小為約束條件，最后選擇質(zhì)量減小為設(shè)計目標(biāo)。設(shè)置完成之后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，就可以得到優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果如圖12所示。 　　五、結(jié)語 　　SolidWorksSimulation是一款基于有限元技術(shù)的分析軟件，通過與SolidWorks的無縫集成，在工程實踐中發(fā)揮了越來越大的作用。本文通過簡單的實例探討了SolidWorksSimulation的一些基本功能及其使用方法。在工程應(yīng)用中，用戶可以使用SolidWorksSimulation軟件對SolidWorks所構(gòu)建的零件和裝配體進(jìn)行高性能的應(yīng)力分析和優(yōu)化分析。