solidworks有限元分析课程-教案

有限元分析

什么是有限元？有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元法是基于近代计算机的快速发展而发展起来的一种近似数值方法,用来解决力学，数学中的带有特定边界条件的偏微分方程问题。

有限元和计算机发展共同构成了现代计算力学（ComputationalMechanics）的基础。

有限元法的核心思想是“数值近似”和“离散化”。

有限元思想最早可以追溯到远古时代，在几个世纪前就得到了应用，例如用多边形逼近圆来求圆的周长

为什么要进行有限元分析？对设计的结构进行详细的力学分析，以获得尽可能真实的结构受力信息，就可以在设计阶段对可能出现的各种问题进行安全评判和设计参数修改。据有关资料，一个新产品的问题有60％以上可以在设计阶段消除。分析步骤建立数学模型建立有限元模型求解有限元模型结果分析建立数学模型简化CAD几何模型：合并或消除在分析中不重要的特征（例如外圆角、圆边标志等等）建立理想化模型建立有限元模型通过离散化过程，将数学模型剖分为有限单元，称为网格划分。有限元模型中的基本概念网格：用四边形或三角形对CAD几何外形的近似描述单元：网格中所存在的三角形或四边形等结点：不同单元联结在一起的点。建立有限元模型-约束描述模型是如何与外界联系：固定一个面、线或点

允许滑动或转动建立有限元模型-载荷作用于模型外表面的载荷：1、作用在面、线、点上的力2、扭矩、力矩3、压力作用于整个模型的载荷：1、重力、离心力FEA计算有限元网格中每个节点的自由度构成了未知量。在结构分析中，节点的自由度可以被看作节点的位移。位移是最基本的未知量，总是被最先计算。FEA结果解释-应力当载荷应用到实体时，实体通过产生内部力（一般来讲每个点都不一样）而尝试吸收其影响。这些内部力称为应力。FEA结果解释-应力FEA结果解释某点的应力状态由6个分量定义：3个拉（压）应力和3个剪应力FEA结果解释-应变·应变是指长度δL的变化与原始长度L之比。应变是无量纲的量。应变=ΔL/Lsimulation静态分析的使用限制Simulation静态分析在下列假设下进行1、材料是线性的2、小变形3、静态载荷静态载荷假设所有的载荷和约束，都不随时间改变。意味着加载过程必须十分缓慢以至可以忽略惯性效应，快速施加的载荷将会引起附加位移、应力和应变Simulation分析流程1、材料2、工作状况压力还是力、螺栓连接还是焊接等等3、simulation中的模型4、查看结果安全系数应力分布第一章simulation应力分析Simulation界面矩形带孔钢板处理流程1、创建几何模型2、选定材料属性3、定义约束4、定义载荷5、运行算例6、分析结果创建几何模型选定材料属性定义约束定义载荷分析结果划分网格Simulation中模型的网格是自动划分的，我们可以根据实际需要自主划分网格。最大位移随网格的精确度提高而增加。即模型随自由度的增加而变得柔软。单元个数的增加同时也更接近真实的力场。有限元中，位移是基本的未知量，应力通过位移计算而来。位移是有限元主要的未知量，比应变和应力更准确。要得到满意的应力结果，需要更精细的网格。持续提高网格的精细程度，应力和位移将趋于有限值。网格控制-局部网格精细化在高应力的地方应用网格控制网格控制可以应用到顶点、面或整个装配体练习：c形支架C形支架安装在天花板上，下端平面支撑招牌，900N的力施加其上，试设计合理的支架第二章装配体分析虎钳应力分析当一个225N的力作用在钳臂末端时，钳臂上应力分布定义材料类型定义约束施加载荷定义接触类型接触类型接合-可以认为交叠部分为焊接在一起无穿透-可以认为是接触在一起，受力时可分离或相互施加力允许贯通-相接触的零部件认为对方相当于不存在

接合-可以认为交叠部分为焊接在一起

无穿透-

可以认为是接触在一起，受力时可分离或相互施加力

允许贯通

相接触的零部件认为对方相当于不存在分析结果运行算例完成后删除部分配合，拆分装配体拆分后应力分析图解拆分后位移分析图解拆分后应变分析图解不同材料的装配体分析分析树，选择要编辑的零件，右键“应用/编辑材料”第二章结构优化设计结构优化设计两种不同的优化概念尺寸优化：只改变元件的截面尺寸，外部结构型式不变。形状优化：改变结构外形。提高机构强度的措施1、合理布置零件，减少所受载荷2、降低载荷集中，均布载荷3、选用合理截面4、减小应力集中合理布置零件例：改变输入轮布局使最大转矩减小降低载荷集中选用合理截面工字钢、空心轴等等。采用合理截面，增大惯性矩减小应力集中：

增大零件上的过渡曲线减小应力集中3D打印建模优化的意义节省材料减少打印时间增加强度减少打印支撑结构在不影响使用的前提下对一些需要打印的工件挖空处理，但是要注意使挖空的弧线光滑，避免应力集