SolidWorks Simulation有限元分析培训教程

1、SolidWorks Simulation基础培训,SolidWorks Simulation培训目录,绪论 有限元简介,主要内容,SolidWorks Simulation概述 有限元分析概述 SolidWorks Simulation的使用限制,Simulation 发展历程辉煌的历史,1982,1985,1995,1997,SRAC 创立,COSMOS/M 第一款用于 PC 的 FEA 软件,第一个SolidWorks 合作伙伴,推出CosmosWorks,第一个 SolidWorks 黄金合作伙伴,发布 COSMOS 2008,被 Dassault Systemes 收购,SolidW

2、orks Simulation 2009,2002,C,2007,2001,C,1996,与 SolidWorks 整合,SolidWorks Simulation 产品,什么是Finite Element Analysis (FEA,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。如用多边形（有个直线单元）逼近圆来求圆的周长。 FEA不是唯一的数值分析工具，在工程领域还有其它数值方法，如有限差分法、边界元法和有限体积法（流体）。FEA占据了工程分析的软件市场，而其它方法被归入小规模应用,什么是FEA,例：如何用一根很短的尺子来测量从家到邮箱的小路的长度,弯曲的小路用分段小路来代替

3、,用短尺分段测量小路,FEA 步骤,一般来讲，FEA软件通常有以下三个步骤: 预处理 分析的类型（例如，静态，热，频率），材料的性能，载荷和约束被定义（建立数学模型），并且模型被分为有限的单元（建立有限元模型）。 求解 用来计算所需的结果（求解有限元模型）。 后处理 用来对结果进行分析（分析结果,SolidWorks Simulation 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,特征消隐：合并或消除在分析中认为不重要的特征：外圆角、圆边、标志等； 理想化 清除,简化CAD几何模型的方法,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，称为网格划分,

4、FEA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(四面体)或四边形(六面体)等 结点- 不同单元所联接在一起的点，结点是求解未知量(通常是位移)所需的点,Simulation中的单元类型,Simulation中 三维单元有：一阶实体四面体单元和二阶实体四面体单元； 二维单元有：一阶三角形壳单元和二阶三角形壳单元； 一维单元有：梁单元,实体单元示例,Simulation中的单元类型,将零件划分成小的四面体单元，并计算每一个单元上的变形，从而解出整个零件的变形,Simulation中的单元类型,一阶（草稿质量）四面体单元共有四个节点，每个角上有一个。

5、每个节点有三个自由度，意味着节点可完全由三个位移分量来表示,Simulation中的单元类型,二阶（高质量）实体四面体单元 有十个节点（四个角点和六个中间节点），并且每个节点又三个自由度,壳单元示例,将面划分成小的三角形单元，并计算每一个单元上的变形，从而解出整个零件的变形,Simulation中的单元类型,一阶（草稿质量）三角形壳单元 有三个节点（分布在角上），并且每个节点有六个自由度，意味着它的位移可完全由三个平移分量和三个转动分量描述,Simulation中的单元类型,Simulation中的单元类型,二阶（高质量）三角形壳单元 有六个节点：三个角节点和三个中间节点。意味着位移可由三个平

6、移和三个转动组成,梁单元示例,Simulation中的单元类型,将框架划分成小的梁单元，并计算每一个单元上的变形，从而解出整个零件的变形,Simulation中的单元类型,两节点梁单元的形状在初始时为平直的，但可以假定形状在变形发生后为三次方的一个函数。 梁单元在每个端点处都有六个自由度,草稿品质（一阶）及高品质单元（二阶,一阶单元：仅在对特定目标进行分析时使用，如证实载荷或约束的方向。 二阶单元：准备用来作最后计算的算例均应该采用高品质单元,建立FEA 模型- 约束,描述所给的模型是如何与外界相联系 固定一个面、线或点 允许滑动或转动,建立FEA 模型- 载荷,作用于模型的外表面的载荷： 作

7、用在面、连线或点上的力 扭矩、力矩 压力 作用于整个模型的载荷: 重力、离心力 热载,FEA中的误差,理想化误差 创建数学模型 离散为有限元模型 数值误差 解算过程 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。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。求解误差是在计算过程中积累的，难于控制，但它们通常都很小。 不要只根据该软件的结果进行设计决策。请结合试验数据和实际经验来使用这些信息。最终设计必须接受现场测试的检验。软件可通过减少、而不是完全免除现场测试，来帮助您缩短投入市场的时间,FEA计算,有限元网格中每个节点的自由度构成了未知量

8、。 在结构分析中，节点的自由度可以被看作节点的位移。位移是基本的未知量，总是被最先计算。 热分析中，基本的未知量是节点温度。而温度是标量，因此对于每个节点，只有一个未知量需要求解,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。这些内部力的强度称为应力。应力单位为每单位面积的力。 应力分量 以一个受压条为例。P 点的应力状态可根据任意基准面来描述。虽然合成应力总是相同，但应力分量的数值取决于所选基准面,FEA 结果解释应力,应力要通过幅值、方向以及其作用的基准面来描述。某点的应力状态可按以下分量予以完整描述： SX：X 方向上的应力垂直于 YZ 基准面 SY：

9、Y 方向上的应力垂直于 XZ 基准面 SZ：Z 方向上的应力垂直于 XY 基准面 TXY：Y 方向上的应力作用于垂直于 X 方向的基准面（YZ 基准面） TYX：X 方向上的应力作用于垂直于 Y 方向的基准面（XZ 基准面） TXZ：Z 方向上的应力作用于垂直于 X 方向的基准面（YZ 基准面） TZX：X 方向上的应力作用于垂直于 Z 方向的基准面（XY 基准面） TYZ：Z 方向上的应力作用于垂直于 Y 方向的基准面（XZ 基准面） TZY：Y 方向上的应力作用于垂直于 Z 方向的基准面（XY 基准面） SX、SY 以及 SZ 称为正应力。TXY、.、TZY 称为剪应力。剪应力的关系如以下

10、方程式所示：TXY = TYX、TXZ = TZX 和 TYZ = TZY。因此某点的应力状态要通过六个分量来完整定义,FEA 结果解释应力,某一点的应力状态由6个分量定义：3个拉(压)应力和3个剪应力-这些分量与局部坐标系相关 Von Mises 应力= VON Mises应力是与坐标系无关 安全系数 = 材料的极限应力/模型中von Mises应力 主应力 在某一局部坐标系下，3个剪应力为零时3个拉(压)应力称为主应力,FEA 结果解释,Simulation中的失效准则汇总,应变是指长度 L 的变化与原始长度 L 之比。应变是一个无量纲的量。 应变= L /L,FEA 结果解释应变,Sim

11、ulation静态分析的使用限制,Simulation静态分析在下列假设下进行 材料是线性的 小变形（结构响应） 静态载荷,线性分析,所有的材料用于Solidworks Simulation和Solidworks Simulation Professional的材料，应力和应变成正比,线性分析,小变形 任何结构在加载下均会变形。在Simulation中,我们假设变形很小。什么是小变形的确切含义呢？通常的解释是变形相对于结构的整体尺寸来说很小,注意变形大小并不是判断“小变形”或“大变形”的因素，真正的决定因素是看变形是否显著地改变了结构的刚度（抵抗变形的能力,静态载荷,静态载荷 假设所有的载荷和

12、约束，都不随时间改变。此限制条件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发附加的位移、应力与应变,Simulation分析流程,材料？ Steel 1040 工作状况 压力 还是 力 螺栓联接 还是 焊接 Simulation中的模型 网格与求解 设计合理吗 (查看结果) 安全系数 应力分布,第1章 分析流程,第1章 学习目标,全面了解 Simulation界面 用实体网格运行一个线性静态分析-静态 几何外形 材料属性 载荷 约束 了解网格密度对位移和应力结果的影响 采用不同方法显示有限元计算结果 管理结果文件 获取有用的帮助,SolidWorks Simulati

13、on界面,分析树,算例页面,Toolbar,CommandManager 页面,分析库,Simulation 算例顾问,矩形带孔钢板,项目描述 支撑及加载条件 一侧固定支撑 一侧110000N 材料：AISI304 模型尺寸：长200mm；宽100mm，高10mm， 孔直径为40mm,力学模型,预处理总结,划分网格标准网格,网格大小 缺省值是系统基于SolidWorks模型几何形状的形状自动建立的。使用缺省值可以使离散化误差保持在可接受的范围内，同时计算时间较短。 它是按包围一个单元的球体（实体单元）或圆（壳单元）的直径来定义的。 公差表示了网格特征单元的尺寸范围，如单元大小为0.225in，

14、公差设定为0.011，则所有单元的尺寸均在0.2140.236in范围内。 当网格划分失败时，提高公差可能会有帮助,高级 草稿品质网格：一阶单元 实体的自动试验：指定网格器自动使用一个较小的整体单元大小再次对模型进行网格化。整体单元大小和公差为每次尝试所减小的比率为 0.8,划分网格基于曲率的网格,在高曲率区域中生成更多网格，在低曲率区域中生成较少网格。 圆中最小单元数：此选项在单元大小介于最大值最小值之间时有效,Simulation2009新功能，可以合理分配网格资源,波节应力与单元应力,波节值 使用线性插值法生成平滑图解。 单元值 在单元的中心生成应力（每个单元都有一个值/颜色）。 说明

15、单元应力和波节应力一般是不同的，但二者间过大的差异说明网格划分不够精细,结果的后处理,修改图表选项 修改图解的设定 创建截面剪裁 创建ISO图解 探测应力结果 定义第一主应力、位移图解,多个结果的比较,由表中看出，最大位移随着网格的精细度提高而增加。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位移和应力场。 有限元中，位移是基本的未知量，应力通过位移计算而来。 持续提高网格的精细程度，应力和位移将趋于有限值（即为数学模型的解），此过程即为收敛过程,创建多个算例,网格细化后，应力差异巨大的原因,位移是有限元的主要未知量，比应变和应力更准确。要得到满意的应力结果，需要精细得多的

16、网格。 应力的极值常出现在曲率变化大的地方，如圆角区域。要获得满意的结果，这些区域需要网格细化,主要结果,Principal Stress (mesh1 study,von Mises Stress and displacements (Mesh 2 study,von Mises Stress (Mesh 3 study,理论计算可以得出最大主应力的值,与理论值比较,第1章: 问题,有限元预处理的步骤； 网格密度对分析结果的影响，怎样划分网格比较合理,练习1-1: 支架,问题描述： 求图中铝质（1060铝合金）支架的最大应力和位移。 该支架通过两个螺栓孔固定在装配体上，零件的 沉头孔表面承受

17、了500N的法向力,练习 1-2: 压缩弹簧刚度,问题描述： 分析绕圈弹簧的压缩刚度。弹簧材质为 合金钢。其中一端固定，另外一端受到0.1N 的压力,注意： 为了稳定分析模型，在进行约束时，需要将 载荷施加端圆柱面的径向位移进行约束,练习 1-2: 压缩弹簧刚度,根据所得位移结果，可以计算出弹簧的轴向刚度,练习1-3: 容器把手,问题描述： 在货运卡车的导轨上装载垃圾容器， 需要通过把手与绞盘的吊钩相连，如图所示。 整个容器由AISI304钢制作而成，把手对称焊接 到两侧的基板上。把手的直径为30mm，钢板的 厚度为5mm。添加一个最适当的夹具，模拟把手 与钢板之间的连接。 装载条件： 在极端

18、装载条件下，即当容器拖到卡车导轨上 时，把手加载力的大小为3000N，并有15倾角。这个 力加载到圆形分割面上。 目标：判断把手设计是否安全,练习1-3: 容器把手,结果显示,约束条件,小结,通过一个简单带孔矩形模型介绍了Simulation的界面 介绍了有限元分析的主要步骤 使用不同网格进行分析 理论值与有限元解的比较,第2章 网格控制、应力集中、边界条件,第2章 学习目标,了解建模和离散化误差的区别 网格划分时使用自动过渡选项 使用网格控制 FEA中收敛问题 在不同SolidWorks配置中分析模型 以批处理方式运行多个算例 列举反作用力,项目描述,上端面固定 下端面施加900N的载荷,局

19、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； 比率：定义连续过渡单元层间单元大小的比率； 网格划分必须在网格控制定义之后,主要结果,无圆角配置,主要结果,Maximum Stress Comparison,继续增加单元数量结果会收敛吗？ 为什么,应力结果的发散应力奇异性,根据弹性理论，尖角处的应力应该是无穷大的，由于离散化误差，有限元模型并不会产生无穷大的结果。 位于尖锐凹角处的应力解是没有意义的（本身是奇异的），它完全依赖于网格的大小。 如果我们要确定最大的应力值，就不能忽略圆角的存在。如果想了解圆角附近的应力，不管其多么小，都应将其包含进来,自动过

20、渡,对细小特征、孔和圆角自动应用网格控制。 在对具有许多细小特征和细节的大模型网格化之前消除选择自动过渡，可以避免不必要地生成大量单元,边界条件可以减小模型尺寸 影响应力结果 注意分析目标,边界条件的影响,如果压缩小特征可以导致局部错误的应力结果，为什么分析的时候还要常常去除圆角和小圆面？ 位移会由于压缩小特征受到影响吗？为什么,第2章:问题,练习2-1: C形支架,No fillet,Filleted edge,项目描述： 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，计算支架的位移和应力,练习 2-2: 骨形扳手,项目描述： 扳手的一侧固定，模拟与螺母紧密接触， 另一侧

21、受到操作工水平方向150N的力，以拧紧（松开） 螺母。分析其应力和变形,练习2-3: 基座支架,0.5 mm,项目描述： 基座支架是用来将桌子腿部固定 在地面的一个装置，支架的一侧以一根 螺栓连接到地面，竖直面则通过两根螺栓 连接到桌子腿部。 当桌子腿部沿着X方向进行0.5mm 的强制位移时，分析基座支架的应力。 基座的材料为镀铬不锈钢,练习2-3: 基座支架,0.5 mm,项目描述： 基座支架是用来将桌子腿部固定 在地面的一个装置，支架的一侧以一根 螺栓连接到地面，竖直面则通过两根螺栓 连接到桌子腿部。 当桌子腿部沿着X方向进行0.5mm 的强制位移时，分析基座支架的应力,小结,利用Soli

22、dWorks的不同配置建立算例 网格与应力奇异的关系 合理简化模型,第3章带接触的装配体分析,第3章 学习目标,对装配体的结构分析 应用全局/局部接触条件,项目描述,本章将分析一个简单的工具-虎钳，它包括四个部分：两个相同的钳臂、一个销钉和一块被夹住的平板。 计算当一个225N的挤压力作用在钳臂的末端时，钳臂上的应力分布。 材料：合金钢（ss,项目描述,当一个225N的“挤压”力作用在钳臂的末端时，钳臂上应力分布,225 N,225 N,固定,全局无穿透 局部接触定义,接触/缝隙 层次关系,全局和零部件接触仅应用于初始接触的区域 大多数情况下，三种接触可能会被同时使用,全局接触,默认：接合 全

23、局接触条件 无穿透 接合 允许贯通 零部件接触 取消勾选全局接触 覆盖全局接触,局部接触定义,结构分析 无穿透 接合 允许贯通 冷缩配合 虚拟壁 热分析 绝缘 热阻 接合 为接触面添加摩擦 为初始间隙设定 条件,无穿透的局部接触条件,无穿透 在“源”与“目标”之间进行定义； 源：可以是点、边线或面，建议“源”的网格优于“目标”网格； 目标：为面，应比“源”的几何体更大更光顺,无穿透的局部接触条件,无穿透中的选项 节到节：源与目标实体必须一开始就接触且没有显著的滑移（仅挤压）。 节到曲面：源由有限元的节点表示，目标由曲面表示。 需要较多的计算量，接触的方向及摩擦力会在分析过程中不断更新。 适合边

24、线到面的接触。 曲面到曲面：源和目标都由有限元的子面来表示。 需要更多的计算量,干涉检查,主要结果,You can plot stresses in exploded configuration,Von Mises stresses - Global contact (225 N force,问题描述及求解,确定钳臂接触所需力的大小 编辑力的大小 使用局部接触 无穿透：以阻止两钳臂之间相互穿透 重新划分网格并解算,主要结果,Could we study the stresses on contact surfaces,Von Mises stresses With contact (2000

25、lb force,第3章: 问题,可用的全局接触条件类型有： 可用的局部接触条件类型有： 零部件/局部【无穿透】只应用于初始接触面，而零部件/局部接触可以允许存在？ 为了简化分析，平板零件被压缩并且在虎钳上应用【固定】边界条件，此假设成立的条件是,练习 3-1: 双环装配体,项目描述： 本例将分析一个结构简单的双环装配体， 环的外侧在拉力3.5MPa作用下使每个环承受接触压力。 如图所示，在U形支架的平板施加3.5MPa的压力载荷，卡住大圆环的平板被固定约束。环外侧的作用力使每个环承受接触压力。 两个环的材料均为合金钢ss,练习 3-1: 双环装配体,项目描述： 1、约束U型环的三个圆柱面，使

26、其只能沿载荷方向移动。 2、两个环的接触处定义无穿透接触类型，选择节到曲面的接触,第4章 对称和自平衡装配体,第4章 学习目标,使用对称条件 回顾局部坐标系中的应力结果 使用eDrawing格式给出结果 使用解算器选项消除刚体模式,项目描述,本章将分析一个机轮装置，该装置中轮缘rim以冷缩配合的方式套到轮毂hub上，计算由于冷缩配合所产生的应力大小。其中轮缘的内径为121mm，轮毂的外径为121.45mm。 求解两者中的如下应力 Von Mises应力 Hoop应力（圆周向的） 接触应力,对称条件,对称条件： 几何形状对称 载荷对称 约束对称,问题求解,模型简化 对称 特征消隐 并不关心边角及

27、邻近区域的应力 冷缩配合分析 定义约束 刚体模式 手工去除刚体运动的方法 冷缩配合接触条件 划分网格 接触面要划分足够的网格 求解并显示结果 SY：Hoop（圆周的）应力图 SX：接触应力,边界条件,主要结果,Hoop stress (using local cylindrical coordinates,Why is there a jump in the hoop stress value across the interface? Would the assembly experience a similar jump in radial stresses,带软弹簧的分析,软弹簧选项 物

28、理模型本身是载荷守恒的，此项通过“人造刚度”使有限元模型稳定,当该选项激活时，模型被带刚度的弹簧包围，弹簧的刚度相对于模型的刚度可以忽略不计。有限元模型被稳定下来，所有的刚体运动被约束。 只要模型是自平衡的或者外部载荷的净值很小以至于软弹簧能够抵消时，上述过程就是有效的,惯性卸除,惯性卸除 和软弹簧不同，惯性卸除是通过“人造载荷”来抵消不平衡载荷。 在重力、离心力或某些热力载荷已定义时，该选项不应当用作稳定分析的目的,小结,分析中是否允许模型干涉？ 结构分析中模型是否可以不完全约束？ 不允许。仅在“冷缩配合”分析中允许模型干涉！ 不允许。为避免刚体运动，本例中模型必须在轴向保持稳定,练习 4-

29、1: 链扣,项目描述： 本练习将分析链条中一颗链扣在载荷 作用下的应力分布情况。 所有零件的材料均为AISI304钢,练习 4-1: 链扣,一、整个链扣的分析： 1、相接触面组有两种类型，无穿透（16）和接合。 2、两端链扣平面上分别施加400N的载荷。 3、使用软弹簧和直接求解器,练习 4-1: 链扣,一、整个链扣的分析： 1、相接触面组有两种类型，无穿透（16）和接合。 2、一端链扣平面上施加400N的载荷，另一端加滚柱/滑竿夹具。 3、使用软弹簧和直接求解器,练习 4-1: 链扣,一、使用对称分析： 1、相接触面组有两种类型，无穿透（5）和接合。 2、链扣平面上施加100N的载荷，其余对

30、称约束,第5章 带接头的装配体分析,学习目标,使用接头 刚性 弹簧 销 弹性支撑 螺栓 点焊 连接 轴承 在局部坐标系中添加约束，分析结果,项目描述,225N,Alloy steel,弹簧 250n/m 5N预紧 整体网格2mm,销钉参数： 张力区域1.2，强度351.5MPa，安全系数2,接头,弹簧,销钉,边界条件和网格划分,225 N,225 N,Fixed,结果,练习 5-1 升降架装配体,项目描述： 一载重1800N的剪刀升降架承受一外部 水压柱筒作用，该水压柱筒与基座上的滑块相连。 假设载荷均匀地分布于两个滚筒之上，而同时又 均匀地传递到剪刀架的各臂上。每臂所受的载荷 均为450N。

31、求剪刀架在配置collapsed位置时，架子 各部分的位移和应力。 所有材料都为普通碳钢,练习 5-1 升降架装配体,项目分析： 由于对base部件的变形和应力不感兴趣， 所以可以压缩这个部件以简化网格。其对应的 接触条件和摩擦力可以用【虚拟壁】来实现。 虚拟壁的轴向刚度为1.6537E+13（N/m）/m2 虚拟壁的正切刚度为6.2216E+12（N/m）/m2,练习5-2: 吸振器,项目描述： 某一微型吸振器包括一根管子、活塞、夹钳 及一个螺旋状的弹簧。我们研究该装置承受3N压力 时，压环所产生的应力分布情况。我们将采用弹簧 刚度255.7n/m。 所有零部件指定为合金钢,练习5-2: 吸

32、振器,第6章 兼容/不兼容网格,学习目标,理解网格兼容在实体网格划分中不同的接触条件的区别 理解高级不兼容网格接合的运算法则 兼容与不兼容网格对无穿透接触网格划分的影响,兼容实体网格,不同实体的接触面上，强制保证波节与波节对齐，以确保所需要的接合,不兼容实体网格,实体接触面上的网格是独立不连续的，这里通过约束方程来确保网格的接合,Incompatible solid mesh: More Accurate Bonding,Surface based contact. Results at the contact interface are uniform but solution time i

33、s longer,Incompatible solid mesh: Simplified Bonding,Node based contact. Results at the contact interface may be patchy but solution time is lower,Incompatible solid mesh Advanced bonding,Incompatible meshes with significant element size difference may results in less accurate results. Comparable el

34、ement size across the part boundaries and Advanced Bonding is recommended,No advanced bonding,With advanced bonding,兼容网格 无穿透,全局控制：兼容网格,全局控制：不兼容网格,网格兼容设置无穿透接触定义的高级定义选项,节到节，节到曲面，全局控制,第7章 网格细化后的装配体分析,学习目标,分析包含多种接触条件的实体网格装配体 在定义局部无穿透接触条件时使用初始间隙 自动生成局部接触定义 定义螺栓接头 分析并评价有限元网格的质量 使用远程载荷特征以简化分析 使用和定义设计检查图解,项

35、目描述,图示万向节是用来传递扭矩的，从竖直方向传递到倾斜方向。该装配体由背面的四个沉头螺栓连接到底座上，底座由2个M8的沉头螺栓连接到另一个结构件中。通过对手柄施加2.5N的水平力来产生扭矩。（从俯视图看，力的方向垂直于手柄臂） 分析的目标是获取装配体零部件上的应力和应变的分布。 而不关系轴、支架和曲柄上的变形和应力,远程载荷,载荷（直接转移） 载荷/质量（刚性连接） 位移（刚性连接,远程载荷,载荷（直接转移）：适用于忽略的零部件被假设为比分析部件更为柔软。 载荷/质量（刚性连接）：适用于忽略的零部件非常刚硬，可以假设为刚体。 位移（刚性连接）:也适用于忽略的零件非常刚硬，可以假设为刚体，但载

36、荷需要指定为规定的位移,螺栓接头,螺栓的紧密配合,紧密配合】选项即控制螺栓杆是否直接与孔接触，还控制螺栓孔壁面是否发生变形。 1、若螺栓材料刚度明显小于螺栓连接部件的刚度，则柔软的螺栓杆对孔壁变形影响不大，此时应清除该选项 2、若材料刚度相当或螺栓材料明显大于连接零部件的刚度，则应激活该选项。 3、若螺栓直径小于螺栓孔直径，该选项一般应取消，此时材料刚度特性不再重要,螺栓预载,螺栓预载可以直接通过输入轴向力来定义，也可以通过扭矩间接定义，当键入扭矩为T时，螺栓预载： F=T/(KxD) 其中D为螺栓直径，K为扭矩系数。 K确切的计算公式非常复杂，实际例子中0.2多数适用,定义带“缝隙”的“无穿

37、透”接触条件,目的 模拟Yoke_Female和RevBracket之间的距离不会比指定间隙更小 采用带“缝隙”的“无穿透”接触条件 始终忽略间隙：所选“源”中的节点不允许接近与目标的初始间隙，即两者间的间隙只能大于初始间隙。 忽略间隙的条件：对于大于给定值的间隙，允许完全接触,缝隙（间隙）选项,该选项强制接触缝隙只等于参与实体之间的初始几何距离。如图中所示例子。 如果选择【始终忽略间隙】，沿着指定源边线的节点不允许接近目标项，但可以进一步分离； 如果【忽略间隙条件为4mm，则3mm接触部分和上面描述一样，7mm接触部分允许完全相触,虚拟壁,问题求解,模型简化 对图示连接杆件并未建模。 使用远

38、程载荷 载荷（直接转移） 坐标位置：57.15，24.6，0 手工定义接触关系 设全局接触为“自由” 查找相触面组 逐个定义相触面并考虑摩擦 带“缝隙”的“无穿透”接触条件 定义旋转刚度 使用网格控制,螺栓力矩：30，摩擦0.2 扭转与轴向刚度定义： Krot=JG/L=18403 Kaxia=EA/L=4.313e9,网格与结果,草稿网格: 网格参数与分析结果,草稿品质的网格参数使得结果并不理想,网格与结果,高质量网格: 网格参数与分析结果,网格参数得到改善，结果也同时改善,注意：完成分析所需计算时间也大大上升,在薄壁特征上需要的实体单元数量,一般来说，如果关注在严重弯曲或高曲率几何体中的应

39、力或应变的结果，在厚度方向至少需要4个草稿（或23高）品质的单元,网格品质评估标准,高宽比：在应力至关重要的区域，高宽比例应当低于50。任何其他区域的高宽比例不得大于1000。 雅克比：判断高曲率和扭曲单元。雅克比越接近1越好，但是不能接近于0或负值，否则将导致严重的局部网格划分失败；雅克比检查只能用于高品质单元,小结,分析了高级的含有多个接触条件装配体 指定旋转刚度的销钉接头 使用远程载荷来远距离加载载荷 安全系数分布,练习7-1: 螺栓接头,项目描述： 一个杆件连接到一基体平板上，该板含有 两个松配合螺栓，螺栓直径为12mm，孔直径 为12.2mm。 基体平板由两边支撑，杆末端的吊环螺栓受

40、到 水平和垂直方向的载荷1100N，假定吊环的刚度 非常大，在连接部位提供一个近乎刚性的连接。 杆和基体平板的材料均为AISI1020. 计算零部件的最大应力和变形,第8章 薄件分析,学习目标,创建中面壳单元网格 使用壳单元进行结构分析 评估网格对应力集中的适应性,0.2MPa,项目描述,一个带轮承受着传动带施加的500N的垂直合力， 确定带轮的形变及应力的变化,0.2MPa,壳单元,Kirchoff Theory,Mindlin Theory,细壳网格忽略了厚度方向的剪切变形及应力,壳单元偏移,中曲面 上曲面 下曲面 指定比率,壳单元默认位置在中曲面 当使用不同厚度定义壳单元时，初始位置非常

41、重要,壳单元对称条件,FEA中自由度定义了节点平移或转动的能力。 实体单元每个节点有3个自由度，壳体单元每个节点有6个自由度,对齐壳单元,为什么我们需要单元对齐? 应力错误是由于von Mises应力在被计算前被平均。 穿越未对齐线使壳单元顶部和底部拉平的结果导致一个零应力,分析结果,Top,壳单元 (使用中面) Von Mises Stress,Bottom,Bottom (orange,Top (gray,分析结果,Top,壳单元 (使用面) Von Mises Stress,Bottom,Bottom (orange,Top (gray,分析结果,56259 DOF,实体单元 Von M

42、ises Stress,878652 DOF,1 element per thickness,2 element per thickness,分析结果,壳单元可以大大降低计算所需的时间。 使用壳单元的模型要求比使用实体单元多,壳单元 vs. 实体单元,练习8-1: 支架,项目描述： 一钣金支架要求承受450N的 边缘载荷，载荷在全局坐标系下作用 在X方向。 比较在有焊接和没有焊接两种配置下 的变形和应力,Top,练习 8-2: 用内侧/外侧表面的壳网格,Shell Elements (surfaces) Von Mises Stress,Bottom,Bottom (orange,Top (g

43、ray,练习8-3: 边焊缝接头,Design the size of the edge weld beads,项目描述： 一段管道系统由厚度为5mm的AISI1020钢板 制作而成，并被固定在固体的实体钢壁上。管道 另一端为自由端，在自由端边线上作用了3.5mm 的垂直位移和1的扭转位移。 这些载荷被认为是极端的条件， 即系统能够在此位置暴露于 空气中，采用圆角和坡口的 焊缝来连接各个零件。 在所有三个位置中，确定最优 的焊珠尺寸,单边圆角焊缝,单边坡口焊缝,双边圆角焊缝,第9章 混合网格- 壳体和实体,学习目标,用适当的网格控制参数生成高质量的网格 在混合网格装配体中设置不同的壳与壳，以及

44、壳与实体接触网格,项目描述,本例中将对一个压力容器进行分析，它包含一些薄壁件如外壳，同时也包含厚壁件如法兰。 压力容器的材料是低碳合金钢SA515，容器垂直向下并用4个定向接头支撑着，容器允许在直径方向自由膨胀。在温度为700F时最大工作压力为165psi，在本例中除了压力外不考虑其他载荷,顶端,蒸汽入口,人孔管,容器主体1,小管口,支管,容器主体2,底端,分析实例,为什么使用混合网格,很多装配体设计都含有适用于实体网格的“大”零件，也含有适用于壳网格的薄壁零件,实体单元与壳单元,实体单元与壳单元混合网格的兼容性问题 在分析中使用混合网格 混合网格支持的分析类型 静态、频率、扭曲、热力、非线性

45、及线性动力,所要关注的部位,网格类型分析,容器主体及上下两端部：0.5in的钢制造而成，用壳网格合适。 管口：蒸汽管口外径24in，厚度1in；人孔管厚度20in，厚度0.1875in；人孔加强件厚度0.25in；适合壳网格。 管口法兰和人孔盖：实体网格,顶端,蒸汽入口,人孔管,容器主体1,小管口,支管,容器主体2,底端,结果图解,Why are the stresses highest at the base near the support and bonded contacts,最大工作压力：165psi,练习9-1,项目描述： 一水轮泵叶轮的转子以20000r/min的转速 均匀转动。

46、分析确定叶轮的位移和应力值。 在这种情况下，离心力对分析结果并不会有 显著影响，可以被忽略,练习9-1,第9章 问题,在指定所有接合接触和成功划分一个复杂装配体网格之后，尝试求解时出现“模型不稳定，约束可能不适当”对话框，请提出解决方案。 在壳和实体零件之间的接合接触，在不同情况下需要或不需要有局部接合接触条件,第10章 混合网格-实体、梁和壳单元,学习目标,使用实体、梁和壳单元创建网格 在混合网格类型装配体中设置不同的壳与壳，以及壳与实体接触网格 显示梁单元的分析结果,项目描述颗粒分离器,颗粒器的支架除受分离器的自重外，还承受正面产生的向下150N的力，来模拟附着在分离器上新增的零部件。分离

47、器的进口处还将加载75N和45N的力，来模拟分离器在安装过程中可能受到的其他载荷,关于梁单元,6 DOFs,关于梁单元,刚性：所有六个自由度都约束在接点上，此类型将从梁单元转移所有的力及力矩到接点（反之亦然）。 铰链：只有三个自由度约束在接点上，连接不能从梁单元转移力矩到接点（反之亦然）。 滑动：横梁端点能够自由平移，但不能转移力到接点 手动：自定义连接,接点连接两个或更多的横梁构件。 接点只连接一个横梁构件，并与其他横梁断开连接,接点,横梁接合,Bond joints or entire beam to target entities,Beam profile imprinted on ta

48、rget entities Accurate results at the interface,结果图解,第一方向沿截面最长边定义 第二方向垂直于第一方向,横梁单元的结果,Simply supported with uniform distributed loading,Stress: Axial, bending, worst-case, torsional, shear Displacement Axial force diagrams Shear 2)在应变能误差较高的区域使用较小网格尺寸; 3)可以在应变能误差较低区域网格粗化(加大网格尺寸)，便于在后面的优化计算中降低计算规模，大大提高优化效率