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：西安工程大學機電工程學院陳永當任慧娟 西安航空職業(yè)技術(shù)學院武欣竹??來源：CAD/CAM與制造業(yè)信息化 · 　　本文通過實例詳細探討了基于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。運用Simulation，普通的工程師就可以進行工程分析，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雜零件和裝配體，它能夠進行應(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

3、雜或應(yīng)用領(lǐng)域多廣，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導，還是聲學分析，對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元求解的基本步驟是一樣的，只是具體公式推導和運算求解不同。 　　1.有限元求解問題的基本思路 　　(1)建立數(shù)學模型。Simulation對來自SolidWorks的零件或裝配體的幾何模型進行分析。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的求解器進行求解。 　　(4)結(jié)果分析。總體來說，結(jié)果分析是最困難的一步。有限元分析提供了非常詳細的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用各種格式來表達。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。通過在計算機上測試用戶的設(shè)計，SimulationXpress可以幫助用戶減少昂貴費時的實體測試，降低成本及減少投入市場的時間。SimulationXpress的向?qū)Ы缑鎸⒁龑в脩敉瓿煞治?，其中?yōu)化分析是可選模塊。 　　本文以“手機殼”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動而導致分析失敗，結(jié)果如圖1所示。 　　圖1手機殼約束添加 (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手機殼載荷施加 　　(4)運行分析。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，手機上、下殼應(yīng)力分析的結(jié)果如圖3、圖4所示。 圖3手機上殼應(yīng)力圖解 　　圖4手機下殼應(yīng)力圖解 　　從操作過程來看，SimulationXpress操作簡單，能進行初步的應(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進行零件靜態(tài)分析的基本操作。由于細長軸上有一個通孔，因此用力學的知識求解將會非常復雜，而使用Simulation有限元分析求解則相當容易。 　　(1)建立算例。算例是由一系列參數(shù)定義的，這些參數(shù)完整地表達了物理問題的有限元分析。當對一個零件或裝配體進行分析時，想得到它在不同工作條件下的反應(yīng)就要運行不同類型的分析。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。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)運行算例。完成應(yīng)用材料、添加約束、施加載荷和對模型進行網(wǎng)格劃分后，就可以進行分析了。單擊Simulation工具欄中的“運行”，系統(tǒng)就開始進行分析，并彈出運行窗口，其中會顯示分析節(jié)點、單元以及自由度的數(shù)目。 (7)顯示結(jié)果。

11、運行結(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?？梢钥吹阶畲髒onMises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)。機械優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計工作者一直追求的目標。從數(shù)學的觀點看，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”進行設(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。設(shè)置完成之后，點擊“運行”，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行高性能的應(yīng)力分析和優(yōu)化分析。