第6章　SOLIDWORKS Simulation数字化仿真分析

SOLIDWORKSSimulation数字化仿真分析陆6.1有限元方法的基本概念SOLIDWORKSSimulation是一款基于有限元技术的数字化仿真分析软件。在数学术语中，FEA（FiniteElementAnalysis）也称之为有限单元法，是一种求解关于物理场问题的一系列偏微分方程的数值方法。将几何体剖分成相对小且形状简单的实体，这些实体称为有限单元。在外力作用下，一切固体都将发生变形，也称之为变形固体，而设计构件一般均由固体材料制成，所以说构件一般都是变形固体，而SOIDWORKSSimulation的“静应力分析”的研究对象也是针对变形固体。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假设对物体材料的假设：1）连续性假设。认为整个物体在其空间内到处无空隙地充满物质，如不考虑铸件中的因铸造缺陷引起的孔隙。2）均匀性假设。认为物体内的任何部分其力学性能相同。如不考虑因表面热处理产生的表面特性与内部的不同。3）各向同性假设。认为物体内在各个不同方向上的力学性能相同，如不考虑锻造件不同方向的不同力学性能。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假设对求解条件的假设：1）材料线性假设。物体对应用载荷的响应是成固定比例的，如果载荷加大一倍，那么变形也加大一倍，如果去掉载荷，那么模型没有变形，零件将会恢复最初形状（没有永久变形）。2）载荷静态假设。载荷是缓慢地逐渐地施加的，因为冲击载荷会导致额外的位移、应力和应变，在SOIDWORKSSimulation的“静应力分析”中不考虑该因素。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假设从基本假设来看，系统对分析对象进行了理想化处理，这必然带来分析结果的误差，这称之为理想化误差，这无法避免，所以分析结果作为设计参考，而不是等同于实测结果，要学会从分析结果获取有效信息，而不是全盘依赖分析数据。6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理论

6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理论在实际使用时只需注意，塑性材料使用第三强度理论时可进行偏保守（安全）的设计；而第四强度理论可用于更精确设计，要求对材料强度指标、载荷计算较有把握。脆性材料使用第一强度理论，用于拉伸型和拉应力占优的混合型应力状态；而第二强度理论仅用于石料、混凝土等少数材料。6.1有限元方法的基本概念6.1.3材料6.1有限元方法的基本概念6.1.4约束约束代表所给的模型是如何附着于外部世界的，如物体固定到一个表面、允许滑动等，约束是基本应力分析中的必要基本条件，合理的约束通常可减少零部件算例的大小。6.1有限元方法的基本概念6.1.4约束6.1有限元方法的基本概念6.1.4约束6.1有限元方法的基本概念6.1.4约束实际工程分析中，约束要依据具体工况正确的添加，约束的过度与缺失均会影响分析结果的准确性。6.1有限元方法的基本概念6.1.5载荷按外力的作用方式分为表面力和体积力。1）表面力。作用于物体表面的力，又可分为分布力和集中力，分布力是连续作用于物体表面一定区域内的力，如船体上的水压力，集中力是作用于一点的力，如火车轮对钢轨的压力等。SOIDWORKSSimulation提供了力、扭矩、压力、轴承载荷等载荷形式。2）体积力。截荷作用于整个模型，SOIDWORKSSimulation提供了引力、离心力、温度等载荷形式。6.1有限元方法的基本概念6.1.5载荷载荷按外力的性质分为静载荷和动载荷。1）静载荷。载荷缓慢地由零增加到某一定值后，不再随时间变化，保持不变或变动很不显著。2）动载荷。载荷随时间而变化，动载荷可分为构件具有较大加速度、受交变载荷、冲击载荷三种情况，交变载荷是随时间作周期性变化的载荷，冲击载荷是在瞬时内发生急剧变化的载荷，本教材不涉及到动载荷问题。6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格SOIDWORKSSimulation中提供了三种基本的单元类型，实体单元、壳单元及梁（杆）单元。6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格（1）实体单元

将模型分解成为很小的四面体块并应用相似的变形到每个小块。草稿品质网格高品质网格6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格草稿品质网格高品质网格（2）壳单元对于钣金和薄零件的通常使用壳单元进行划分。6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格（3）梁（杆）单元

梁单元是由两个端点和一个横断面定义的直线单元。梁单元又分为横梁单元和桁架单元，横梁单元能够承载轴载荷、折弯载荷、抗剪载荷和扭转载荷。桁架只能承载轴载荷，桁架通常用在诸如桥梁、屋顶、电塔和其它建筑和结构应用场合。无论横梁和桁架构件的实际横断面形状如何，都会显示在实际横梁几何体中或显示为空心圆柱体。6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格（4）混合网格模型中存在不同几何体，对不同的几何体需要使用不同的网格类型时，程序自动使用混合网格。6.1有限元方法的基本概念6.1.6网格不同密度的网格6.1有限元方法的基本概念6.1.7结果图解应力图解位移图解应变图解安全系数图解6.1有限元方法的基本概念6.1.8误差数字化仿真结果并非实验数据，其中存在着一些固有的误差。1．求解误差。求解误差是在计算过程中积累的，难以控制，但幸运的是，他们通常都很小，对结果影响有限。2．离散误差。通过离散化过程，将数学模型划分成有限单元，这一过程称为网格划分。载荷和支撑在网格完成后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限单元网格的节点上。而这个过程中会产生不可避免的误差，离散化误差是FEA特有的，也只有这个误差能够在使用FEA方法时被控制。3．建模误差。影响数学模型的建模误差，是在FEA之前引入的，只能通过正确的建模技术来控制，也称为理想化误差。如实际加工产生的误差、建模时未考虑的铸造缺陷等，对模型进行简化，去除对结果影响较小的、可以忽略不计的特征等。6.1有限元方法的基本概念6.1.8误差误差不可避免，分析时不能想着要得到一个完全正确、符合实际的结果，而是要判断结果误差是否在一个可以接受的范围内。6.2SOLIDWORKSSimulation的基本操作流程建立数学模型建立有限元模型求解有限元模型分析结果6.3.1基本零件6.3零件中的应用基本零件示例6.3.1基本零件6.3零件中的应用新建算例添加材料添加夹具第一步6.3.1基本零件6.3零件中的应用添加载荷生成网格运行求解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的应用默认图解定义安全系数图解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的应用安全系数图解变更安全系数图解参数第一步6.3.1基本零件6.3零件中的应用复制算例添加基准面第二步添加虚拟壁6.3.1基本零件6.3零件中的应用新位移图解新应力图解第二步6.3.1基本零件6.3零件中的应用细化网格第三步6.3.1基本零件6.3零件中的应用三种网格应力图解对比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的应用三种网格位移图解对比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的应用受力体由于几何关系，在求解应力函数的时候出现的应力无穷大。而根据弹性理论，在尖角处的应力是无穷大的，由于仿真分析软件的离散化误差，有限元模型并不会产生无穷大的应力结果，而会随着网格的细化，得出的应力值大幅度增加的现象。可以通过探测远离奇异点的位置的应力值得到可靠的数据，在远离应力奇异位置的应力、安全系数值受网格大小影响非常小，在可接受范围内。6.3.2复杂零件6.3零件中的应用实际零件结构往往比较复杂，而复杂的零件在网格划分、仿真计算等方面都有着较高的挑战，为了提高网格划分效率、降低计算时间，通常会对模型进行简化，去除一些对结果影响较小的特征，如外圆角、标志、螺纹、小孔等。6.3.2复杂零件6.3零件中的应用Defeature6.3.2复杂零件6.3零件中的应用为网格简化模型6.3.2复杂零件6.3零件中的应用复杂零件示例6.3.2复杂零件6.3零件中的应用简化模型切除模型分割面6.3.2复杂零件6.3零件中的应用新建基准面添加虚拟壁添加固定6.3.2复杂零件6.3零件中的应用添加对称添加力添加引力6.3.2复杂零件6.3零件中的应用添加对称添加力添加引力6.3.2复杂零件6.3零件中的应用当零件达到一定的复杂程度时，其分析时间将大大延长，甚至时长会以天为单位，所以对于模型的简化就显得尤为重要了，实际工作中切不可拿到模型就开始分析，一定要先审慎的评估模型该如何分析，有需要时会采用草稿品质网格快速的做一次评估，以确定相关条件是否添加合理。6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用现实中梁结构通常都属于大型构件，如果用实体单元进行仿真计算，其计算效率将很难被接受，SOLIDWORKSSimulation通过梁单元对此类零件进行仿真，在计算效率与结果准确性中有着很好的平衡。6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用梁类零件6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用两种固定条件下的结果对比6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用杆梁零件示例6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用新建算例添加夹具添加载荷6.3.3杆梁类零件6.3零件中的应用生成网格应力图解安全系数图解6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用壳单元具有方向性对于厚度尺寸远小于长宽的零件而言，在划分网格时很容易导致在厚度方向的网格层数较少，甚至只有一层网格，如果这类网格在整个零件中占比较高时，零件的整体结构刚度会出现较大误差，SOLIDWORKSSimulation通过壳单元对该类零件进行网格划分，典型的零件如钣金件、曲面实体。6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用壳类零件示例6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用水平分割面竖直分割面添加坐标系6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用定义壳属性添加链接添加夹具6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用定义壳属性添加链接添加夹具6.3.4薄板类零件6.3零件中的应用应力图解6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用在设计过程中如何在一定条件下使得尺寸最优，是广大设计人员所面临的一大难题，如果每个尺寸均代入进行仿真分析，再对比各结果确定最优尺寸，显然时间成本是巨大的，甚至说现实中根本不允许这样操作。此时可以输入确定的条件，由软件进行迭代计算，给定最优解。6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用尺寸优化示例6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用新建坐标系添加夹具添加载荷6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用添加轴承载荷生成网格位移图解6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用生成设计算例添加变量6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用设定变量参数添加传感器6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用输入约束参数输入目标参数6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用分析情形分析结果6.3.5尺寸优化分析6.3零件中的应用模型优化结果6.4装配体中的应用当分析一个装配体时，使用者必须理解零部件间是如何接触的，只有合理的接触条件，才能保证分析结果能获取到正确的接触应力、位移等数据。6.4.1零部件接触6.4装配体中的应用接合模拟粘合两实体。接触可以防止两实体由于变形成产生交叉干涉。空闲允许零件因变形侵入另一零件中。6.4.2基本装配体6.4装配体中的应用基本装配体示例6.4.2基本装配体6.4装配体中的应用排除零件设定刚性零件添加连结6.4.2基本装配体6.4装配体中的应用添加夹具添加载荷6.4.2基本装配体6.4装配体中的应用划分网格简化装配配置6.4.2基本装配