SolidWorksSimulation边界条件设定方法

1、SolidWorks Simulation边界条件设定方法-转载自期刊CAD/CAMW制造业信息化 P60,河南工程学院 刘军 一、引言有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，分析 结果误差的主要来源如图1所示，其中影响分析结果最大因素的是约 束和载荷，即边界条件。不恰当的边界条件会使分析模型的结果严重 偏离实际结果。本文重点讲解边界条件中分析模型边界的确定方法。分析模型边界定义得越大，被关注对象的分析结果就越接近真实 情况。但是，这也造成分析模型中包含的零部件数量过多，计算困难、成本过高、消耗的时间也越多；分析模型的边界定义得越小，边界条 件的定义就越困难，与实际产品的偏差就越大

2、，分析产生误差的概率 越大。本文主要讨论SolidWorks Simulation 中三种确定分析模型边界 的方法：包裹法、工程分析法和圣维南原理法。图1有限元分析误差的主要因素二、包裹法包裹法，首先，单独取出被关注的零部件，确定其最合理的边界条件，进行分析计算；然后扩大零部件的范围，即增加 一层零部件，添加合理的边界条件后再次分析计算 ；对比两次计算的 结果，如果结果偏差很大，说明第一次分析定义的边界太小，需要再 次扩大边界重新计算，和第二次的结果对比。循环进行，直至两次分 析的结果基本不再发生变化，就找到了最合适的边界。该方法适用于 所有分析类型，具体分析流程如图 2所示。茂立,嚏gift

3、停& +布国事势例如，我们关注某轨道车底板一个零件“C 型梢”的力学性能，如图3所示的黄色零件。绿色部位是和其余零部件的接触面。利用包 裹法确定其分析边界的步骤如下。(1)孤立关注的零部件：分析模型仅选取 C型梢零件自身。(2)添加边界：将C型梢与其他零件的接触面分割出来，如图 3所示的绿色面。对绿色面采用固定约束，如图4所示。(3)添加其他相关参数，分析计算，结果如图 5所示，固定约束的区域没有任何变形。(4)扩大分析模型的边界至连接 C型梢的梢钢，如图6所示。(5)添加边界，固定梢钢的端面。(6)再次分析计算，结果如图7所示，C型梢零件与梢钢接触部 位有较大的变形。(7)对比两次分

4、析的结果，C型梢的变形和应力分布差别非常大， 所以第一次定义的边界不正确，需要继续扩大边界，直至得到满意的 结果。包裹法确定边界的方法很简单，但是也笨拙，经常会导致重复计算和参与分析的零部件数量过多、计算量过大的情况。例如，对于 C 型梢，当继续扩大边界条件时，我们是否需要将整个轨道车都添加进 来尽量进行分析。这样做的时间和计算代价会太大，往往难以接受。实际应用过程中，通常我们采用第二种方法，工程分析法。三、工程分析法工程分析法，首先判断零部件之间的相互作用，然后再决定是否向被分析模型中添加与之接触的零部件，分析流程如图8所示。判断的标准如下。(1)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度

5、大一个数 量级，使用载荷代替零部件间的相互作用。(2)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度小一个数量级，使用约束代替零部件间的相互作用。(3)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度差别不大或相当，使用包裹法判断边界。工程分析法确定边界比较依赖于分析者的经验，丰富的经验直接影响分析的结果是否正确。M立建关注警匐就图8工程法流程在对板凳进行受力分析时，确定边界是否要把人体的模型添加进 来。很显然，板凳的刚度远远大于人体的刚度，所以根据工程分析法， 人体模型对板凳的相互作用，使用载荷进行替代，等效载荷施加在人 与板凳的接触面上。如图9所示，粘接在钢板上的塑料件，钢板材料为普通碳钢，塑

6、料件的材料为尼龙。采用工程分析法是：尼龙的刚度远远低于钢板的刚度，所以，钢板与塑料件的相互作用就可以用固定约束代替，固定约束定义在塑料件与水泥板的相互接触面处。图10为钢板与塑料件起分析的结果，钢板底面为固定约束。图 11是塑料件单独分析的 结果，接触面为固定约束。两次分析的结果基本相同，说明钢板与塑料件的相互作用完全可以用固定约束等效替代。IB9馈枷.上的工轩作事| |fj » r 持 pa A* 4 工 il » tjj a K CK HB riL ntk - , “，叫 E ”L “A tB 9n 9 < za ai. 餐团 v fl, t*V 1ilSili也

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8、确的。flL4 柱舟单救分析站来四、圣维南原理法根据圣维南原理，当作为边界的零部件距离被分析零部件的关注 点或危险点足够远时，边界可以缩小或者用等效的方式加载， 如果分 析零件的关注点或危险点靠近边界，那么边界必须扩大。该方法是包 裹法和工程法的补充，用于判断是否需要扩大或缩小边界。例如健身器轮组受力分析，如图16所示，人蹬车的力作用在脚 踏板上，由脚踏板传递到曲轴上，那么分析的时候，是否将脚踏板添 加到分析模型中呢？首先，不添加脚踏板，将载荷直接等效作用在曲轴上，进行有限 元分析，分析结果如图17所示，应力最大点离脚踏板零部件足够远， 所以根据圣维南原理，脚踏板可以不作为分析模型的边界。假设如果应力的最大点在靠近脚踏板的紫色轴上一点，若关注这 一点应力的话，边界必须扩大，需要将脚