基于SolidWorksSimulation的有限元分析方法

49CAD CAM与制造业信息化 2011年第9期 栏目主持 黎艳 投稿信箱 Liy 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 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 SolidWorks SimulationXpress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 50 仿真 omputer Aided EngineeringCAE 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 Simulation Study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von Mises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 SolidWorks Simulation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