solidworks-Simulation理论基础教学课件精选

1、Simulation有限元分析理论基础1Special Analysis TopicsBackground and Theory第1页，共48页。概要Simulation产品线及公司介绍什麽是FEA? 历史背景FEA在设计中的作用有限元理论定义一般过程强度理论2Special Analysis TopicsBackground and Theory第2页，共48页。Simulation 产品线-面向所有用户的协同仿真Simulation机械设计验证Flow Simulation计算流体动力学Motion运动仿真3Special Analysis TopicsBackground and The

2、ory第3页，共48页。SolidWorks Simulation PremiumSolidWorks Simulation ProfessionalSolidWorks 设计仿真产品线静态分析模态/屈曲稳态/瞬态热分析跌落测试疲劳机构运动学/动力学优化非线性时间-历程瞬态响应SolidWorks Flow Simulation随机振动压力容器载荷工况合成谐波响应复合材料4Special Analysis TopicsBackground and Theory第4页，共48页。COSMOS更名SolidWorks Simulation 产品线的新名称老名字新名字COSMOSWorks Desi

3、gner/MotionSolidWorks Simulation COSMOSWorks ProfessionalSolidWorks Simulation ProfessionalCOSMOSWorks Adv. ProSolidWorks Simulation PremiumCOSMOSXpressSolidWorks SimulationXpressFlowXpressSolidWorks FlowXpressCOSMOSFloWorksSolidWorks Flow SimulationCOSMOSMotionSolidWorks Motion5Special Analysis Top

4、icsBackground and Theory第5页，共48页。Simulation 发展历程 1982 1985 2019 2019 SRAC 创立 COSMOS/M 第一款用于 PC 的 FEA 软件 第一个 SolidWorks 合作伙伴 第一个 SolidWorks 黄金合作伙伴 发布 Simulation 2019 被 Dassault Systemes 收购 发布COSMOS2019 2019 2019 2019 发布SW&Premium发布Simulation 201920192019COSMOSMotion加入SW&Premium2019发布COSMOS2019 2019更名

5、为Simulation6Special Analysis TopicsBackground and Theory第6页，共48页。许多人并不需要 FEA当时间，费用，重量无需考虑时7Special Analysis TopicsBackground and Theory第7页，共48页。什么是 FEA?解析方法虽然简单但很难满足许多工程设计的需要FEA 将复杂的几何模型离散分解成许多 简单的小块FEA: Finite Element AnalysisFEM: Finite Element MethodFEA/FEM 称为有限单元分析/方法8Special Analysis TopicsBack

6、ground and Theory第8页，共48页。历史背景基于计算机的结构分析 在 1943, Richard Courant 建议将连续介质的物体划分为三角形的小块 1953年, 绗架结构分析在数字计算机上首次完成. 1960年, “有限单元法” 的名字由Ray Clough首次提出 在70年代末80年代初，分析评估在微机和工作站上实现 花费少 容易组织 但过程麻烦: 设计人员产生模型并把他们交给分析人员. 分析人员导入分析模型,进行分析,并给出分析结果 根据分析结果更改设计等9Special Analysis TopicsBackground and Theory第9页，共48页。历史背

7、景基于计算机的结构分析 80年代中期进入PC时代: 分析的采用在一定程度上提高了效率 90年代中期进入Windows时代 花费低 设计人员已把分析作为设计中不可分割的一部分 更复杂和更大的装配体模型也可进行分析 CAD 和 FEA集成的改善 自动优化处理 更快的速度和精度 分析的未来: 更高效的工程部门 更安全的产品 更短的产品投放市场时间10Special Analysis TopicsBackground and Theory第10页，共48页。FEA 在工业中 CAD 和 FEA 的结合使得在实际工作中使用FEA方便简单 在设计中使用FEA可以大大减少 (但不是替代) 物理样机和试验 通

8、过使用 FEA, 设计可以更优,减少重量体积并且提高可靠性11Special Analysis TopicsBackground and Theory第11页，共48页。FEA 在工业中FEA 并不只强调自己 FEA 要在设计中发挥作用离不开物理样机的实验12Special Analysis TopicsBackground and Theory第12页，共48页。当有零部件破坏时物理实验金相检查各种仪器 (昂贵) 检测重新设计重新试验FEA了解到各种工况数据 看到失效形式找到危险和没危险的零部件我们试了又试但仍不知道它为什麽会坏13Special Analysis TopicsBackgro

9、und and Theory第13页，共48页。把事情做好传统的方式按比例试验样机重新设计重新试验FEA了解各种参数影响没有材料消耗测试各种极端情况下和无法作试验的结果鉴别各种可能的趋势优化处理14Special Analysis TopicsBackground and Theory第14页，共48页。有限元术语15Special Analysis TopicsBackground and Theory第15页，共48页。有限元网格一个离散化的模型 代表实际三维物体有限元模型由单元和节点构成对单元位移有一个简化的假设形式位移的连续性在节点处被保证16Special Analysis Topi

10、csBackground and Theory第16页，共48页。单元/节点定义应力应变在每个单元中被计算力和位移在每个节点被计算单元通过节点相互作用单元可分为两大类连续介质(实体)结构 (梁、壳)17Special Analysis TopicsBackground and Theory第17页，共48页。有限单元COMOSWorks用四面体实体单元划分实体几何体，用三角形壳单元划分几何面。实体四面体单元一阶二阶18Special Analysis TopicsBackground and Theory第18页，共48页。19Special Analysis TopicsBackground

11、 and Theory第19页，共48页。有限单元壳单元一阶二阶20Special Analysis TopicsBackground and Theory第20页，共48页。21Special Analysis TopicsBackground and Theory第21页，共48页。有限单元横梁单元22Special Analysis TopicsBackground and Theory第22页，共48页。在FEA中使用直接位移法求解位移被假设是未知的每个节点有六个可能的位移自由度 (DOF), 即：ux, uy, uz, qx, qy, qz根据单元类型不同，每个节点的自由度情况也不同

12、在2D中的连续单元仅有 ux 和 uy在2D中的结构单元仅有 ux, uy,和qz在3D中的连续单元仅有 ux, uy和 uz在3D中的结构单元有 所有六个自由度所有存在的自由度都对应有相应的力和矩23Special Analysis TopicsBackground and Theory第23页，共48页。实体单元各节点：3个自由度壳单元各节点：6个自由度梁单元各节点：6个自由度24Special Analysis TopicsBackground and Theory第24页，共48页。结构分析基础平衡方程变形协调方程应力应变关系（虎克定律）25Special Analysis Topic

13、sBackground and Theory第25页，共48页。平衡方程施加在一个单元上的外力之和为零26Special Analysis TopicsBackground and Theory第26页，共48页。变形协调方程单元节点位移和单元应变的关系节点力和单元应力亦如此ei = B u27Special Analysis TopicsBackground and Theory第27页，共48页。应力应变关系又称为物理方程定义应力 (s) 和应变 (e)关系在该关系方程中 C 是一个 6 X 6 的矩阵s = Ces (ksi)e (%)= E eValid over theelastic

14、 range28Special Analysis TopicsBackground and Theory第28页，共48页。边界条件在有限元分析中的边界条件代表 实际物理模型和它周边物体之间的相互作用关系分析整个系统在很多时候既不实际也没必要通过使用边界条件一个系统级的分析, 可以简化成对一个零部件级的分析29Special Analysis TopicsBackground and Theory第29页，共48页。边界条件自由物体有六个自由度（ RIGID BODY MODES）一个 (RBM) 是一个可能的运动 ，存在有可能的运动 的方向不能有变形自由物体有三个移动自由度和三个转动自由度3

15、0Special Analysis TopicsBackground and Theory第30页，共48页。边界条件约束应按以下原则施加: 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31Special Analysis TopicsBackground and Theory第31页，共48页。各种约束条件的实例FEA 等效约束种类如下所述悬臂梁约束（固定）导槽约束 轮廓约束 铰链约束球铰约束 32Special Analysis TopicsBackground and Theory第32页，共48页。边界条件所有的移动和转动都被约束悬臂梁约束（固定约束）仅有一个移动自由度导槽

16、约束33Special Analysis TopicsBackground and Theory第33页，共48页。边界条件所有的转动被约束仅允许一个移动自由度轮廓约束所有的移动被约束仅允许一个转动自由度铰链约束34Special Analysis TopicsBackground and Theory第34页，共48页。边界条件所有移动被消除,所有转动被允许球铰约束35Special Analysis TopicsBackground and Theory第35页，共48页。载荷施加在物体外表面的力 称为外力如集中力和压力施加在物体内部的力 称为体力如重力，离心力，温度应力36Special

17、 Analysis TopicsBackground and Theory第36页，共48页。有限元分析概述有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 FEA分析的基本步骤：预处理：定义分析类型、添加材料属性、施加载荷和约 束、网格划求解：计算结果后处理：分析结果37Special Analysis TopicsBackground and Theory第37页，共48页。有限元分析过程产生几何模型 划分单元确定分析类型添加材质属性加约束加载荷解线性方程组 u建立系统线性方程组Pre

18、-Analysis生成系统刚度矩阵【K】计算产生单元刚度矩阵uf38Special Analysis TopicsBackground and Theory第38页，共48页。有限元分析过程获得每个单元的单元应变计算单元应力显示结果Post-获取每个节点位移39Special Analysis TopicsBackground and Theory第39页，共48页。建立数学模型对CAD几何模型进行修改以满足网格划分的要求（正确的、适度少的有限单元）方法特征消隐理想化清除确定分析类型、材料属性、载荷、支撑和约束。40Special Analysis TopicsBackground and T

19、heory第40页，共48页。建立有限元模型网格划分：通过离散化过程，将数学模型分成有限单元。求解有限元模型结果分析41Special Analysis TopicsBackground and Theory第41页，共48页。有限元分析过程42Special Analysis TopicsBackground and Theory第42页，共48页。强度理论第一强度理论（最大法向应力理论）P1：第一主应力主应力：切应力为零的平面上的正应力。一般适用于脆性材料，如铸铁、陶瓷、工具钢等第二强度理论（最大伸长线应变理论）P1-u(P2+P3)合金铸铁、低温回火的高强度钢和石料等第三强度理论（最大切应力理论）最大抗剪应力max=(P1-P3)/243Special Analysis TopicsBackground and T