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應力分析、Simulation結構有限元分析以及優(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、已經作為一種常用的方法被廣泛使用。凡是計算零部件的應力、應變和進行動態(tài)響應計算及穩(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果，從而最大限度地縮短了產品設計周期，降低測試成本，提高產品質量，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，它能夠進行應力分析、應變分析、熱分析、設計優(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、雜或應用領域多廣，無論是結構、熱傳導，還是聲學分析，對于不同物理性質和數(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格劃分。通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網格劃分的要求。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，這一過程成為網格劃分。離散化在視覺上將幾何模型劃分為網格。然而，載荷和支撐在網

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)結果分析?？傮w來說，結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。對結果的正確解釋需要熟悉和理解各種假設、簡化約定以及在前面三步中產生的誤差。 　　2.Simulation使用步驟 　　以上介紹了Simulation有限元分析的基本思路，在實際應用Simulation進行分析時，一般遵循以下步驟：創(chuàng)建算例、應用材料、添加約束、施加載荷、劃分網格、運行分析和分析結果。 　　二、Si

5、mulationXpress應力分析 　　SolidWorksSimulationXpress為SolidWorks用戶提供了一款初步的應力分析工具。通過在計算機上測試用戶的設計，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的向導界面將引導用戶完成分析，其中優(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向導。分析之前，可以設置單位系統(tǒng)和分析結果的保存位置。

6、　　(1)應用材料?？梢允褂肧imulationXpress賦予材質，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)值將應用至每個面，如需改變方向，勾選“反轉方向”，就可完成施加載荷，結果如圖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、成模型的網格劃分，及模型計算。 　　(5)優(yōu)化零件。完成應力分析后，如有必要可以進行優(yōu)化分析。在“結果”選項卡中，逐步按照向導的提示進行。 (6)查看結果。完成應力分析(或優(yōu)化分析)后，可以單擊“結果”選項卡查看結果。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、下殼應力分析的結果如圖3、圖4所示。 圖3手機上殼應力圖解 　　圖4手機下殼應力圖解 　　從操作過程來看，SimulationXpress操作簡單，能進行初步的應力分析，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結構有限元分析 　　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、約束和網格。在這一步驟中，可以為本算例設定一個名稱，并同時設定算例的“類型”為“靜態(tài)”。

9、 　　(2)應用材料。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，結果如圖5所示。 (5)生成網格。單擊Simulation工具欄中的“運行”下拉菜單中的“生成網格”，完成對零件的網格化，結果如圖6所示。 圖5添加約束及施加載荷 　　圖6生成網格 　　(6)運行算例。完成應用材料、添加約束、施加載荷和對模型進行網格劃分后，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)顯示結果。

11、運行結束之后，SimulationStudy樹中增加了“結果”文件夾，并且“結果”下還有應力、位移、應變和安全系數(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應力為251MPa，沒有超出材料的屈服應力355MPa。如果增大載荷，超出材料的屈服應力時，系統(tǒng)會在圖例中以紅色箭頭標記顯示。 圖7應力圖解 圖8位移圖解 　有時為了需要，還要查看軸內部的應力分布狀況。此時，可以在查看應力分布圖解的界面下，右擊“應力”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力狀態(tài)，結果如圖11所示。 　　 圖11截面

12、剪裁 (8)生成報告。經過結果分析后，可以將結果生成研究報告，以方便查閱、演示和存檔。 　　四、Simulation優(yōu)化分析 　　在工程設計中，設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)化設計(Optimal Design)。機械優(yōu)化設計是設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“設計算例”，然后分別對“

13、變量”、“約束”和“目標”進行設置。選擇軸的直徑為設計變量，選擇節(jié)應力的大小為約束條件，最后選擇質量減小為設計目標。設置完成之后，點擊“運行”，就可以得到優(yōu)化結果，結果如圖12所示。 　　五、結語 　　SolidWorksSimulation是一款基于有限元技術的分析軟件，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。在工程應用中，用戶可以使用SolidWorksSimulation軟件對SolidWorks所構建的零件和裝配體進行高性能的應力分析和優(yōu)化分析。