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基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法 2011-10-17 15:38:08作者：西安工程大学机电工程学院陈永当任慧娟 西安航空职业技术学院武欣竹来源：CAD/CAM与制造业信息化 本文通过实例详细探讨了基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法，包括Simulation Xpress应力分析、Simulation结构有限元分析以及优化分析。 有限元法(FiniteElementMethod，FEM)是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。在机械工程中，有限元法已经作为一种常用的方法被广泛使用。凡是计算零部件的应力、应变和进行动态响应计算及稳定分析等都可以用有限元法。Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析软件。它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成。运用Simulation，普通的工程师就可以进行工程分析，并可以迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短了产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。其基本模块能够提供广泛的分析工具来检验和分析复杂零件和装配体，它能够进行应力分析、应变分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析等。一、Simulation有限元分析的一般步骤不管项目多复杂或应用领域多广，无论是结构、热传导，还是声学分析，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是一样的，只是具体公式推导和运算求解不同。1.有限元求解问题的基本思路(1)建立数学模型。Simulation对来自SolidWorks的零件或装配体的几何模型进行分析。该几何模型必须能够用正确的适度小的有限单元进行网格划分。通常情况下，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的要求。这种修改可以采取特征消隐、理想化或清除等方法。(2)建立有限元模型。通过离散化过程，将数学模型剖分成有限单元，这一过程成为网格划分。离散化在视觉上将几何模型划分为网格。然而，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元网格的节点上。(3)求解有限元模型。创建有限元模型后，使用Simulation的求解器进行求解。(4)结果分析。总体来说，结果分析是最困难的一步。有限元分析提供了非常详细的数据，这些数据可以用各种格式来表达。对结果的正确解释需要熟悉和理解各种假设、简化约定以及在前面三步中产生的误差。2.Simulation使用步骤以上介绍了Simulation有限元分析的基本思路，在实际应用Simulation进行分析时，一般遵循以下步骤：创建算例、应用材料、添加约束、施加载荷、划分网格、运行分析和分析结果。二、SimulationXpress应力分析SolidWorksSimulationXpress为SolidWorks用户提供了一款初步的应力分析工具。通过在计算机上测试用户的设计，SimulationXpress可以帮助用户减少昂贵费时的实体测试，降低成本及减少投入市场的时间。SimulationXpress的向导界面将引导用户完成分析，其中优化分析是可选模块。本文以“手机壳”模型为例说明SimulationXpress的功能。首先，选择菜单栏“工具”“SimulationXpress”，启动SimulationXpress向导。分析之前，可以设置单位系统和分析结果的保存位置。(1)应用材料。可以使用SimulationXpress赋予材质，也可以在建模时将材料指定给零件。(2)添加约束。在“约束”选项卡中定义固定约束。每个约束可以包含多个面，受约束的面在所有方向都受到约束。必须至少约束零件的一个面，以防由于刚性实体运动而导致分析失败，结果如图1所示。图1手机壳约束添加(3)施加载荷。在“载荷”选项卡中，可以选择力或压力载荷类型。以“压力”为例，在图形区域中，选取需要加载荷的面。所指定力的数值将应用至每个面，如需改变方向，勾选“反转方向”，就可完成施加载荷，结果如图2所示。图2手机壳载荷施加(4)运行分析。此过程将一次性完成模型的网格划分，及模型计算。(5)优化零件。完成应力分析后，如有必要可以进行优化分析。在“结果”选项卡中，逐步按照向导的提示进行。(6)查看结果。完成应力分析(或优化分析)后，可以单击“结果”选项卡查看结果。在界面中，可以选择播放或保存动画，也可以生成HTML报告或eDrawings文件，手机上、下壳应力分析的结果如图3、图4所示。图3手机上壳应力图解图4手机下壳应力图解从操作过程来看，SimulationXpress操作简单，能进行初步的应力分析，但功能有限，使用中带有局限性。SolidWorksSimulation可以提供更多的高级分析功能，在下面的分析中，将使用Simulation作为分析工具。三、Simulation结构有限元分析本文以“轴”为例来说明使用Simulation进行零件静态分析的基本操作。由于细长轴上有一个通孔，因此用力学的知识求解将会非常复杂，而使用Simulation有限元分析求解则相当容易。(1)建立算例。算例是由一系列参数定义的，这些参数完整地表达了物理问题的有限元分析。当对一个零件或装配体进行分析时，想得到它在不同工作条件下的反应就要运行不同类型的分析。一个算例的完整定义包括分析类型、材料、负荷、约束和网格。在这一步骤中，可以为本算例设定一个名称，并同时设定算例的“类型”为“静态”。(2)应用材料。在运行算例之前，必须定义模型的材料属性。在Simulation中定义材料不会更新已在SolidWorks中为CAD模型分配的材料。在装配体中，每一个零件可以指定不同的材料。(3)添加约束。为了完成一个静态分析，模型必须被正确地约束。Simulation提供了各种夹具来约束模型，一般而言，夹具可以应用到模型的面、边和顶点。单击Simulation工具栏“夹具”下拉菜单的“固定几何体”，完成对零件约束的添加。当某个面添加了约束之后，就可以看到夹具符号出现在该面上。夹具符号分别用箭头和圆角表示各方向的移动和转动自由度的限制。本文中选择“固定几何体”夹具类型，意味着所有的6个自由度，包括三个移动自由度和三个转动自由度都被限制了。(4)施加载荷。单击Simulation工具栏中“外部载荷”下拉菜单中的“压力”，完成对零件载荷的施加，结果如图5所示。(5)生成网格。单击Simulation工具栏中的“运行”下拉菜单中的“生成网格”，完成对零件的网格化，结果如图6所示。图5添加约束及施加载荷图6生成网格(6)运行算例。完成应用材料、添加约束、施加载荷和对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。单击Simulation工具栏中的“运行”，系统就开始进行分析，并弹出运行窗口，其中会显示分析节点、单元以及自由度的数目。(7)显示结果。运行结束之后，SimulationStudy树中增加了“结果”文件夹，并且“结果”下还有应力、位移、应变和安全系数四个图解选项。其图解分别如图7图10所示。可以看到最大vonMises应力为251MPa，没有超出材料的屈服应力355MPa。如果增大载荷，超出材料的屈服应力时，系统会在图例中以红色箭头标记显示。图7应力图解图8位移图解有时为了需要，还要查看轴内部的应力分布状况。此时，可以在查看应力分布图解的界面下，右击“应力”选择“截面剪裁”，然后根据自己的需求，拖动坐标轴，确定要剪裁的位置。本文中查看了轴通孔处的应力状态，结果如图11所示。图11截面剪裁(8)生成报告。经过结果分析后，可以将结果生成研究报告，以方便查阅、演示和存档。四、Simulation优化分析在工程设计中，设计方案往往不是唯一的，从多个可行方案中寻找最优方案的过程，被称为优化设计(Optimal Design)。机械优化设计是设计工作者一直追求的目标。从数学的观点看，工程中的优化问题就是求解极大值和极小值的问题，亦即极值问题。通过Simulation的优化分析，可以从众多的设计方案中搜索最佳解决方案，以最低的成本获得最好的效益，提高设计效率。以轴为例，进行Simulation优化分析，方法如下。单击“评估”下的“设计算例”，然后分别对“变量”、“约束”和“目标”进行设置。选择轴的直径为设计变量，选择节应力的大小为约束条件，最后选择质量减小为设计目标。设置完成之后，点击“运行”，就可以得到优化结果，结果如图12所示。五、结语SolidW