Simulation Designer培训

1、Simulation 有限元分析培训刘军刘军2022年年6月月23日日2l第一章 分析入门l第二章 带孔板分析l第三章 L形板分析l第四章 健身器轮组分析l第五章 轴孔接触分析l第六章 手钳应力分析l第七章 火车轮过盈配合分析l第八章 滑轮壳分析l第九章 结构件分析l第十章 音叉频率分析l第十一章 吹风机的频率分析l第十三章 装配体的频率分析l第十四章 屈曲分析3产品正常使用的三个力学要求：产品正常使用的三个力学要求： 强度强度：物体抵抗破坏的能力 刚度刚度：物体抵抗变形的能力 稳定性稳定性：物体受到载荷时在原有形状下保持平衡产品常见的破坏形式：产品常见的破坏形式： 断裂：实际最大应力许用应力

2、 最大位移许用位移 失稳传统的验证手段：材料力学材料力学和弹性力学弹性力学4FEA: Finite Element Analysis近似的结果，趋势的研究5分析类型分析类型载荷：80kgf6静态分析的三个假设条件：1. 载荷缓慢加载2. 材料线性并在线性范围内3. 小变形7部分基本概念： 其中为应力，为纵向线应变，为横向线应变，为泊松比，E为弹性模量8赋予材料：赋予材料： 主要指标有：E弹性模量，泊松比，密度，屈服应力，极限应力，求解时需要E、，如果载荷有重力、加速度、离心力时需要；结果分析时需要。9约束模型：约束模型： 消除物体的刚体运动，如果物体没有约束，就不会产生变形。约束的准则约束的准

3、则：约束条件忠实地反映实际工况刚体六个运动自由度必须被约束掉 约束最常见的错误是：过约束导致物体的刚度过大，或欠约束导致无法运算。10添加载荷： 载荷是缓慢加载的，载荷三要素：大小、方向、作用点。载荷也要尽量符合实际载荷情况。载荷：80kgf11离散化： 将连续实体离散成有限个基本单元。12运算看结果：13 典型有限元分析流程：CAD 模型模型 应力应力结果结果数学模型数学模型有限元模型有限元模型14第二章第二章 带孔矩形板分析带孔矩形板分析材料：钢AISI304约束：一端固定载荷：25000ib网格：1.默认 2.缩小一半问题：1.波节应力与单元应力的区别2.查看应力图解3.应力探测4.网格

4、大小对分析的影响单元大小的定义15结果是否可靠？结果是否可靠？ 1.网格细化，看每次分析结果是否收敛；2.波节应力与单元应力误差5%以内；3.和经验进行对比；4.和理论解析解进行对比；5.和成熟产品进行对比；6.和实验结果进行对比。16有限元误差的因素有限元误差的因素l模型的偏差模型的偏差：CAD模型和实际产品的偏差（制造、装配、造型的偏差）；l材料的偏差材料的偏差：材料理论数据和实际材料的偏差、不同批次材料的偏差、材料的缺陷、热处理的不同；l约束约束/载荷的偏差载荷的偏差：实际产品的约束/载荷情况和模型中的约束/载荷情况的偏差，很多时候真实的约束/载荷很难数学描述，这种误差是分析中最大的误差

5、所在，也最难控制；l离散化误差离散化误差：有限元自带的，无法消除，可以通过细化网格来减少l计算误差计算误差：有限元自带的，无法消除和减少17第三章第三章 L形支架的静态分析形支架的静态分析 材料：钢AISI304约束：一端固定载荷：200ib向下网格：1.默认问题：1.网格控制2.应力奇异性3.网格自动过度4.列举反作用力18第一强度理论第一强度理论：最大正应力准则（最大拉应力）铸铁、石料（脆性材料拉伸破坏）第二强度理论第二强度理论：莫尔-库伦（Mohr-Doulomb）准则（最大拉应变理论）适用于：石料、混凝土轴向受压第三强度理论第三强度理论：崔西卡（Tresca）准则（最大剪切理论）钢材等

6、（弹性材料塑性屈曲）结果偏安全第四强度理论第四强度理论：冯-米塞斯（von-Mises）准则（最大形状比能理论）钢材等（弹性材料塑性屈曲）11r)(3212vr313r2132322214 )()()( 21r产品安全与否的评判依据？产品安全与否的评判依据？19第四章第四章 健身器轮组分析健身器轮组分析材料：灰铸铁、合金钢约束：载荷：200ib网格：1.默认问题：1.应用静力分析合适吗？2.约束如何添加？3.载荷如何添加？4.圣维南原理5.装配体与零件的不同之处？20第五章第五章 轴孔接触分析轴孔接触分析材料：合金钢约束：如图载荷： 300 psi 网格：1.默认问题：1.真实接触的定义2.对

7、称约束结合结合自由自由无穿透无穿透局部局部零部件零部件全局全局高优先级高优先级低优先级低优先级21局部接触类型局部接触类型无穿透可以分离，但不可以相互穿透接合粘合在一起，不可分离允许贯通自由移动，可相互穿透冷缩配合用来分析过盈配合虚拟壁提供在类似平面上的支撑约束，比如土壤支撑等。选项：1.节到节节到节：源与目标一开始就接触在一起，并没有显著滑移，大位移分析不可用；2.节到曲面节到曲面：节点和曲面允许滑移和不接触，大位移分析有效，计算更加消耗资源；3.曲面到曲面曲面到曲面：允许滑移和不接触，无穿透常用，大位移分析有效。22第六章第六章 手手用虎钳的接触分析用虎钳的接触分析材料：Alloy ste

8、el约束：夹紧钢板？载荷：50ib网格：1.默认问题：1.简化（钢板、销钉）2.多大的力使尾部接触？3.此时应力多大？真实吗？23第七章第七章 火车轮过盈配合火车轮过盈配合 分析冷缩配合装配体 使用对称载荷 局部坐标系中的应力解 解算器选项消除刚体模式24第七章第七章 火车轮过盈配合火车轮过盈配合周向应力图（使用局部圆柱坐标系）周向应力图（使用局部圆柱坐标系）为什么在接触界面周向应力值会有一个突变？装配体在径向的应力会经历一个同样的突变吗？沿轴向的应力分量沿轴向的应力分量沿径向的应力分量沿径向的应力分量沿周向的应力分量沿周向的应力分量25第八章第八章 滑轮滑轮的壳体分析的壳体分析材料：Allo

9、y steel约束：夹紧钢板？载荷：50ib网格：1.默认问题：1.实体或壳2.壳的指定3.壳的方向26网格的类型网格的类型一个装置的例子一阶实体四面体单元（四个节点，每个节点三个自由度）二阶实体四面体单元（十个节点，每个节点三个自由度）27网格的类型网格的类型墙上托架的钣金模型一阶三角形壳单元（三个节点，每个节点6个自由度）二阶三角形壳单元（六个节点，每个节点6个自由度）28网格的类型网格的类型一个框架结构的例子把框架分解成很小的直杆并应用相似的变形到每个直杆（两个节点，每个节点6个自由度）29第九章第九章 结构件分析结构件分析材料：普通碳钢约束：底端固定载荷：1000ib网格：1.默认30

10、第十章第十章音叉频率分析音叉频率分析 每个结构都有以特定频率震动的趋势，这一频率也称作自然频率自然频率或共振频率共振频率。 每个自然频率都与模型以该频率振动时趋向于呈现的特定形状相关，称为模式形状。 当结构被频率与其自然频率一致的动态载荷激励时，会承受较大的位移和应力。这种现象就称为共振共振。对于无阻尼的系统，共振在理论上会导致无穷的运动。但阻尼会限制结构因共振载荷而产生的反应。 单自由度无阻尼自由振动频率31第十章第十章音叉频率分析音叉频率分析 如图所示的音叉，被设计在440Hz的频率下能够释放出一个较低的A音。 该音叉的设计可以通过频率分析来验证，是否是440Hz？ 基本频率基本频率：基本

11、频率即最低的共振频率。自然频率的值与结构在特定模态下所需要的能量级别成比例。因此，基本频率下结构体振动所需要的能量与其他所有的自然频率相比是最小的。32第十章第十章音叉频率分析音叉频率分析最初的6个振动模态对应着刚体模态。因为音叉没有受到支撑，作为刚体它拥有6个自由度：3个平移自由度和3个旋转自由度。Simulation检测到的模态并赋予他们频率的值为0Hz。注意：对于刚体模态的频率分析，必须使用注意：对于刚体模态的频率分析，必须使用FFEPlusFFEPlus解算器。解算器。Direct SparseDirect Sparse求解器不适用于刚体模态的频率分析。求解器不适用于刚体模态的频率分析

12、。自由无约束固定下部球面33第十一第十一章章 吹风机吹风机风扇的频率风扇的频率分析分析 吹风机的风扇由于离心力的作用而使叶片受到拉伸应力，这些应力增加了叶片的刚度。增加的刚度称为应力刚度，将它添加到弹性刚度里面，也称为叶片的形状刚度。 实际上，旋转的叶片比静止的叶片更加坚硬，而且增加的刚性会影响到叶片的共振频率。 针对旋转叶片的基本频率，研究由于离心力的作用而增加的刚性的影响效果。 1、不考虑刚度的增加 2、考虑刚度的增加34第十一第十一章章 吹风机吹风机风扇的频率风扇的频率分析分析 压力或拉力载荷会改变结构体抗弯的能力。压力会降低抗弯能力，这种现象称为应力软化。拉力能够增加弯曲刚度，这种现象

13、称为应力硬化。 应力软化或硬化在静态分析中都很重要，因为他们会影响结构体的最终刚度，进而改变对载荷的影响及振动属性。 在静态分析中，考虑载荷对刚度影响的正确方法是采用非线性分析。 在频率分析中，应力硬化或软化的直接后果是改变自然频率。35第十一第十一章章 吹风机吹风机风扇的频率风扇的频率分析分析30003000转转/ /分的速度分的速度没有旋转没有旋转36第十一第十一章章 吹风机吹风机风扇的频率风扇的频率分析分析频率结果图标注：基本频率的大小随着网格的细化而降低，因为在使用更细的网格时，模型变得更加软。因此基本频率会根据以上因素达到收敛。虽然这些影响都非常小，或者说基本上没有实用性。37第十二

14、第十二章章 装配体的装配体的频率频率分析分析 将零部件视为远程载荷 装配体的频率与零部件的质量分布有关 SW模型中，部分零部件可以不用真实建模 发动机部件视为具有对应质量和惯性的质点 频率分析中的接触设置 结合或自由38第十二第十二章章 装配体的装配体的频率频率分析分析 频率分析中不能指定无穿透接触 频率分析取决于模型的刚度系数和质量矩阵 对于无穿透接触，刚度矩阵取决于变形（不是常量） 如下图所示的两段梁梁:独立的梁和相互接触的梁振动特性完全不同39第十三第十三章章 屈曲分析屈曲分析 扭曲指在压力作用下的突然大变形。细长结构的物体在受到轴向载荷时，很容易因为扭曲而损坏，而且扭曲时所受到的载荷低

15、于导致材料失效的载荷。 在不同载荷的作用下，扭曲会产生不同的模态。大多数情况下，只有最低的扭曲载荷才是有意义的。 很多的结构载荷都会影响到结构刚度。拉应力产生的应力刚度，会增加弹性刚度；压力产生负的应力刚度，会降低结构的弹性刚度。 由于压力作用而使弹性刚度降低，当结构刚度降低到0的时候，就会发生扭曲。 此方程描述了刚度抵消的结果： 弹性刚度矩阵 应力刚度矩阵 特征值，乘以加载的载荷可以得到临界载荷； 特征矢量，对应扭曲的模态0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK40第十三第十三章章 屈曲分析屈曲分析扭曲可以视为这样一种情况，就是载荷有一个微小的增加也会引起结构失稳或坍塌在给定载荷和约束的情况下，线性扭曲分析可以确定特征值的大小注意：线性屈曲不考虑真实结构中存在的缺陷或者非线性，因此，对线性扭曲分析的结果必须给与警示性说明。41第十三第十三章章