Solidworks simulation仿真教程-课件全套 第1-9章 SOLIDWORKS Simulation基础 -流体力学分析

Solidworkssimulation仿真教程SOLIDWORKSSimulation概述

第一章SOLIDWORKSSimulation基础SOLIDWORKSSimulation是一款集成在SOLIDWORKSCAD环境中的有限元分析（FEA）工具，专注于为工程师提供简便、高效的仿真功能。SOLIDWORKSSimulation是达索系统（DaSSaultSystèmes）旗下的一款产品。发展1995年：SOLIDWORKS公司成立，并推出了基于Windows系统的3DCAD软件SOLIDWORKS；2001年：SOLIDWORKS公司收购了StructuralResearchandAnalysisCorporation（SRAC）旗下的COSMOS系列分析软件，其中包括COSMOSWorks；2009年：COSMOSWorks正式更名为SOLIDWORKSSimulation，将仿真界面和流程深度融入SOLIDWORKS的设计过程中。后续发展：达索系统不断对SOLIDWORKSSimulation进行更新和升级。持续增加新的分析功能、改进解算器算法、优化用户界面和操作流程，以适应不断发展的工程需求和技术趋势。1.1软件的主要优点1.分析功能全面：1）多种分析类型；2）多场耦合分析；3）特殊行业模块；4）高级分析能力。2.操作简便易用：1）集成式界面；2）向导式操作；3）结果准确可靠；4）强大的解算器支持；5）多种验证方式。3.优化设计高效：1）节省时间和成本；2）参数化优化。

1.2核心分析功能1.线性静态分析用途：计算结构在静载荷下的应力、应变和位移。典型应用：机械零件的强度校核（如支架、壳体）。安全系数评估（基于屈服或极限强度）。2.非线性分析用途：计算结构在材料非线性、几何非线性或接触非线性条件下的应力、应变和位移。典型应用：金属成型仿真，密封件压缩分析。3.频率（模态）分析用途：计算结构的固有频率和振型。典型应用：避免共振（如发动机支架设计）。振动噪声（NVH）优化。1.2核心分析功能4.传热分析用途：有限元方法来求解涉及热传导、对流、辐射和相变等热物理过程的工程问题。传热分析根据分析时间，可以分为稳态传热分析，即恒定温度场（如散热器设计）和瞬态传热分析，温度随时间变化（如电子元件升温过程）。典型应用：预测温度分布、评估热应力与热变形、优化热管理方案、验证与改进设计。5.疲劳分析用途：预测构件在循环载荷下的寿命（如交变应力导致的裂纹）。典型应用：预测寿命、预防灾难性失效、优化设计与维修策略。6.屈曲分析用途：用途：评估细长结构（如立柱、薄壁件）的失稳临界载荷。典型应用：预测临界载荷、识别屈曲模态、指导设计优化、评估缺陷敏感性等。1.3与其他仿真工具对比功能SOLIDWORKSSimulationANSYSMechanicalABAQUS集成性优（与CAD一体）一般（需数据转换）一般非线性能力良优优学习曲线一般（易上手）良优适用规模中小型问题大型复杂问题极端非线性问题1.4

SOLIDWORKSSimulation-Flow启动方式通过SOLIDWORKS主界面启动打开SOLIDWORKS软件，单击顶部菜单栏①【工具(Tools)】选项，再单击②【插件】选项。在插件窗口中勾选③【SOLIDWORKSSimulation】”或④【SOLIDWORKSFlowSimulation】,如图11所示，单击【确定】Simulation选项卡将出现在SOLIDWORKS界面中。如果Simulation已加载，可以在【CommandManager】顶部找到【Simulation】选项卡，单击即可进入仿真环境。1.4

SOLIDWORKSSimulation-Flow启动方式通过SOLIDWORKS任务窗格启动打开SOLIDWORKS软件，并加载一个零件或装配体。单击【SOLIDWORKS插件】选项卡，单击⑤【SOLIDWORKSSimulation】选项或者单击⑥【SOLIDWORKSFlowSimulation】，如图1‑2所示。1.5主菜单栏介绍主菜单栏主要包括【文件】、【编辑】、【插入】、【工具】、【窗口】、【视图】等，如图1-2所示，对主菜单中的各级菜单内容进行简要说明，如图1-3～图1-8所示。。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.1工具栏设置1）选择【工具】→【自定义】命令，或者在空白的工具栏位置点击鼠标右键，在弹出的对话框中使用【自定义】命令，系统会弹出【自定义】的对话框，见图1‑9。2）在对话框中选择需要的工具栏复选框。3）选中需要的工具栏后，点击【确定】按钮，在图形区域中会显示出选择的工具栏。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.2工具栏命令按钮设置1）选择【工具】→【自定义】命令，或者在空白的工具栏位置点击鼠标右键，在弹出的对话框中使用【自定义】命令，系统会弹出【自定义】的对话框。2）点击对话框中【命令】选项卡，在【命令】选项卡中出现【工具栏】列表和【按钮】类别，如图1-10所示。3）在【工具栏】列表中选择对应的工具栏，此时该工具栏中所有的【按钮】类别也都显示出来，拖动需要的按钮图标，至需要放置的工具栏内，在工具栏中即可看到添加的命令按钮图标，最后点击确定，即可完成工具栏命令按钮的添加。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.2工具栏命令按钮设置4）如果需要删除工具栏中的按钮图片，只需要打开【自定义】的对话框，在工具栏中不需要的按钮上右单击鼠标右键，在弹出对话框中选择“删除”命令即可，如图1-11所示。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.3鼠标笔势设置SOLIDWORKS允许鼠标进行笔势设置，可以快速地从鼠标按钮中展示出工具按钮。打开【自定义】的对话框，在【鼠标笔势】选项中可以进行2-12个笔势的设置，也可以将【类别】选项卡中的【命令】按钮，鼠标左键持续按住后，拖动相应的【命令】按钮至右侧【鼠标笔势指南】中的图标内，见图1-12。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.4图形区域背景设置鼠标点击【选项】按钮，在弹出的对话框中点击①【颜色】选项，之后点击②【颜色方案设置】，点击③【视区背景】，通过④【编辑】按钮来选择喜欢的颜色，见图1‑13。1.6SOLIDWORKS工作环境设置1.6.5单位设置系统的总绘图标准有ISO、ANSI、DIN、JIS、BSI、GOST、GB。不同的绘图标准有不同的单位标准，因此在三维实体建模之前需要设置好系统的单位。在设置尺寸之前，先选择总的绘图标准，单击①文档属性，在②【绘图标准】选项中选择③【GB】选项，该选项是我国常用的国家绘图标准。点击④【单位】选项，在右侧弹出的【单位系统】中选择⑤选项，完成单位的设置，见图1‑14。1.7习题1.SOLIDWORKSSimulation-Flow主要功能有哪些？2.SOLIDWORKSSimulation-Flow相比其他仿真软件有哪些优缺点？谢谢大家Solidworkssimulation仿真教程有限元FEA分析过程的基本步骤

第二章有限元法基础知识第1步几何体离散化第2步单元属性赋值第3步加载和边界条件第4步方程解的后处理一个有限元模型至少需要包含以下基本信息：1）离散化的几何模型（即划分好的网格）。2）单元的基本属性。3）材料参数。4）载荷和约束条件。5）分析类型设置。6）需要输出的结果类型。2.1几何体离散零件的CAD几何体被离散后分成多个单元单元之间通过共享节点相互连接，所有单元和节点的集合称为网格。一般来说，网格只是结构实际几何形状的近似值。网格的质量直接影响分析结果的准确性：1）单元类型的选择：就像搭积木可以用不同形状的积木块一样，可以选择不同形状的单元（如四面体、六面体等）。2）网格密度：划分的小方块越多（网格越密），结果就越精确，就像用更多更小的乐高积木能拼出更圆的形状。3）计算代价：网格越密，计算机需要的时间就越长，就像拼一个超大型乐高模型需要更多时间。2.2单元属性单元可以按照几何形状的维度分为一维、二维和三维几种基本类型，如图2-5所示。常用的单元类型如下。1）实体单元（连续体单元）：适用于三维实体结构，比如厚重的零件或复杂形状的物体（如发动机缸体、齿轮等）。2）壳单元：适用于薄壁结构（如金属板材、塑料外壳等），因为它们的厚度远小于长度和宽度。3）梁单元：适用于细长结构（如桥梁、支架、桁架等），因为它们的长度远大于横截面的尺寸。4）桁架单元：主要用于只承受轴向力的杆件（如桁架结构中的拉杆或压杆）。5）刚性单元：适用于形状基本不变的物体（如模具、夹具等），计算时忽略变形，提高效率。2.2单元属性单元在分析过程中选择单元类型的依据如下：1）如果是厚实的3D物体，需选择实体单元。2）如果是薄板或薄壳，需选择壳单元。3）如果是细长的梁或柱，需选择梁单元。4）如果是只受拉压的杆件，需选择桁架单元。5）如果是硬质工具或支撑件，需选择刚性单元。选择合适的单元类型，既能保证计算精度，又能提高计算效率。2.2单元属性2.2.1自由度在有限元分析中，自由度（DOF）是指计算时需要求解的基本未知量，不同的问题有不同的自由度定义，见表2-1：分析类型自由度（DOF）适用单元举例结构分析平移（X,Y,Z）+旋转（绕X,Y,Z轴）实体单元（3个平移）梁/壳单元（6个自由度）传热分析温度（1个自由度）热传导单元表2‑1自由度特性总结2.2单元属性2.2.2节点插值在有限元分析中，位移、旋转、温度等参数只在单元的节点（Node）处直接计算，而单元内部任意点的数值（如位移）则通过节点数值插值得到。插值的精度取决于单元的类型，主要分为线性单元和二次单元：表2‑2线性单元与二次单元对比区别单元类型节点位置插值方式计算特点线性单元仅位于单元角点（如三角形3节点、四边形4节点）线性插值（直线变化）计算快，但精度较低，适用于简单变形二次单元除了角点，每条边中点也增加一个节点（如三角形6节点、四边形8节点）二次插值（曲线变化）计算更精确，能更好模拟弯曲变形，但计算量更大2.2单元属性2.2.3积分运算“积分”指的是一种数值技术，用于求解单元内积分点的值，如高斯正交法，即在每个单元的体积上对单元刚度矩阵中的多项式项进行积分，主要分为“完全积分”和“缩减积分”两种方式。表2‑3积分运算的特点积分类型积分点数量适用情况优缺点完全积分每个方向取2个或更多高斯点（2×2=4个积分点）适用于规则形状单元（如直边四边形、六面体）精度高计算量较大缩减积分比完全积分少一个积分点（如1×1=1个积分点）适用于大变形、接触分析计算速度快

可能产生“沙漏模式”（虚假变形）2.2单元属性2.2.3积分运算如何选择积分方式和注意事项完全积分适合小变形、精确计算（如线性静力学分析）。缩减积分适合大变形、非线性问题（如橡胶压缩、金属冲压），但需注意可能出现的数值误差。缩减积分虽然计算快，但可能导致“沙漏效应”（单元出现不真实的扭曲），需谨慎使用。完全积分更精确，但计算成本高，尤其适合高精度需求的分析。选择哪种方式，取决于问题类型（小变形和大变形）和计算资源。完全积分-二维四边形单元中的积分点图缩减积分-二维四边形单元中的积分点2.2单元属性2.2.4实体单元三维实体单元可用于对大部分的三维物理模型进行建模，实体单元通常有四面体和六面体两种；二维实体单元通常用于模拟平面结构和轴对称结构，最常用的二维连续体单元有平面应变单元、平面应力单元、轴对称单元。三维四面体实体单元库面应变、平面应力和轴对称单元2.2单元属性2.2.4实体单元在选择单元类型时，应该注意如下注意事项：1）单元的类型与分析模型的类型相互呼应，如流体分析就需要选择流体单元、固体分析选择实体单元。作为新手，在确定分析类型后，系统会自动选择适合当前分析类型的单元。对于任意几何图形的网格划分，最常用的单元是二次四面体。2）尽量减少网格失真。带有扭曲线性单元的粗糙网格可使仿真结果出现个别值较高的现象。3）对于涉及非常大的网格畸变(大应变分析)的模拟，可用线性、减积分单元的精细网格。4）对于接触问题，使用线性单元的精细网格。2.2单元属性2.2.5壳单元通常分为厚壳单元和薄壳单元，区别在于壳的厚度和横向剪切变形。通常按照如下规则确定：1）对于厚壳，横向剪切柔韧性很重要；而对于薄壳，则可以忽略不计。2）横向剪切在壳中的重要性，可以通过其厚长比来估计。单一各向同性材料制成的壳，其厚长比大于1/15，被认为是“厚”；如果该比率小于1/15，则认为该壳体为“薄”。薄壳的横向剪切特性厚壳的横向剪切特性2.2单元属性2.2.6网格划分将模型的几何形状划分为单元的过程称为网格划分。一个网格可以包含数千到数百万个单元，足够精细的网格数量可以确保模拟结果的准确性。当系统增加网格密度时，FEA模型的数值解将趋向于一个唯一的值，但运行模拟所需的计算机资源也会随着网格的细化而增加。当进一步细化网格和增加网格数量，但仿真结果产生较小可忽略不计的变化时（百分之几的变化），通常认为网格的尺寸是合适的。同样，在实际分析过程中，可以通过增加网格数量和分析结果的变化，来判断网格划分数量的合理性，例如：当网格数量增加10%后，分析结果增加2%，则可认定当前网格划分数量是合理的。具体的划分数量可根据个人经验和本行业的通用经验进行校对。高质量的网格对于获得准确的模拟结果非常重要。有不同的质量检查标准来衡量网格的质量。常用的有宽高比检验和雅克比检验标准。2.2单元属性2.2.6网格划分宽高比检验法：1）最长与最短单元边缘的比值，如图2-13a所示。2）从一个顶点下降到另一个面的最长法线与最短法线的比值，如图2-13b所示。3）最大的外切圆与最小的内切圆直径之比，如图2-13c所示。宽高比检查方法2.2单元属性2.2.6网格划分雅可比检验法：核心原理是验证等参单元映射的数学合法性和数值稳定性。其本质是通过分析雅可比矩阵的行列式及条件数，确保物理单元与参考单元之间的几何变换满足可积性、可逆性以及数值精度要求。二阶单元映射到弯曲几何时，比同样大小的线性单元更精确，单元边界的边缘中侧节点被放置在模型的实际几何形状上。在尖锐或弯曲的边界位置，将中间边节点放置在实际几何体上时，可能导致生成具有重叠边缘的扭曲单元。部件内部某一点的雅可比比值提供了部件在该位置的失真程度的度量。将所有中间节点正好位于部件边缘中间的抛物线四面体单元的雅可比比值定义为1.0。雅可比比值随着单元边缘曲率的增大而增大，高度扭曲的单元具有负的雅可比比值。在实际网格划分时，通过应用网格控制或调整全局单元大小来避免这些具有“凹”面的单元。2.3材料属性材料大致可分为两类：各向同性和各向异性。大多数模拟都是在各向同性和材料性质均质的假设下进行的。材料属性指材料本身具有的物理属性。如材料静力分析中，需要指定单元的弹性模量、泊松比、材料密度。流体分析中，要指定单元的密度、黏度等。FEA模拟中的材料，需要被定义所有与分析相关的材料特性和适当的材料行为：如弹性、金属塑性、超弹性、导热性等最能描述模型的物理行为。木材作为正交各向异性材料2.3材料属性2.3.1剪切模量或刚性模量1.剪切模量定义剪切模量或刚性模量（符号G）是衡量材料抵抗剪切变形能力的弹性常数，定义为剪切应力与剪切应变的比值。其数学表达式为：其中：τ：剪切应力（单位：Pa）。γ：剪切应变（无量纲），表示材料层间的相对位移角度。对于各向同性材料，剪切模量G与杨氏模量E、泊松比ν的关系为：2.3材料属性2.3.1剪切模量或刚性模量2.常见材料的剪切模量值工程中常见的金属材料、玻璃材料的剪切模量值，见表2‑4。材料剪切模量G(GPa)特性说明钢75~80高刚性，用于机械结构铝25~30轻量化设计常用橡胶0.001~0.1极低模量，柔性材料玻璃26~30脆性材料，剪切易导致断裂钛合金40~45高强度且耐腐蚀表2‑4常见材料的切变模量值2.3材料属性2.3.2泊松比1.泊松比定义工程泊松比是指用于描述材料在单向受力时，横向应变与轴向应变之间的比例关系。泊松比（通常用符号ν表示）的数学表达式为：其中：1）轴向应变：材料在受力方向上的变形（如拉伸或压缩）。2）横向应变：与受力方向垂直的横向尺寸变化（如拉伸时变细或压缩时变粗）。负号表示横向应变与轴向应变方向相反（拉伸时横向收缩，压缩时横向膨胀）。2.3材料属性2.3.2泊松比2.常见材料的取值范围1）大多数各向同性材料：0.50≤ν≤0.5。2）金属（如钢、铝）：约0.25~0.35。3）橡胶等不可压缩材料：接近0.5（体积几乎不变）。4）软木、多孔材料：接近0（横向几乎不变形）。5）负泊松比材料（拉胀材料）：ν<0，受力时横向膨胀，如某些特殊蜂窝结构或人工超材料。3.取值的极限情况1）ν=0.5：材料不可压缩（如橡胶，变形时体积守恒）。2）ν=0：横向无变形（如软木）。当材料在纵向方向上延伸时，它通常倾向于在横向方向上收缩。同样，当在一个方向上被压缩时，它在另外两个方向上通常会膨胀。2.3材料属性2.3.3热膨胀系数热膨胀系数指恒压下每单位温度变化的尺寸（长度、面积或体积）的分数变化。材料在温度升高时通常会向各个方向膨胀。根据在测量每单位温度变化的尺寸变化时考虑的尺寸，有体积、面积和线性热膨胀系数的定义。1.线膨胀系数（通常符号为𝛂）线膨胀系数用于描述温度变化时材料长度变化的比率。其中：L0：结构的初始长度。ΔL：结构长度变化量。ΔT：结构温度变化量。单位通常为K−1或C−1（二者数值相同）。2.3材料属性2.3.3热膨胀系数2.面膨胀系数（通常符号为β）面膨胀系数通常衡量的是物体在温度变化时，其面积随温度变化的比率。它描述了材料在二维平面上受热膨胀或遇冷收缩的趋势。其定义式为：其中：Β：面膨胀系数，单位通常是C⁻¹或K⁻¹。A：材料的初始面积。dA/dT：面积随温度的变化率。2.3材料属性材料类型线膨胀系数α（×10⁻⁶/°C）特性说明金属（铝）23~24导热性好，膨胀显著金属（钢）10~12低于铝，常用于结构件石英玻璃0.5~1.5超低膨胀，用于光学器件陶瓷（氧化铝）6~8耐高温但脆性高塑料（PE）100~200膨胀率极高，需考虑热变形橡胶（硅胶）150~300柔性材料，膨胀显著2.3.3热膨胀系数3.体膨胀系数（通常符号为α）对于各向同性材料，近似满足β≈3α。4.常见材料的线膨胀系数取值范围对不同材料的线膨胀系数取值不同，通常塑料等高分子材料的线膨胀系数较高、其次是金属类材料、最后是陶瓷、玻璃等脆性材料，详细线膨胀系数，见表2‑5。2.3材料属性2.3.4热膨胀系数1.导热率定义导热率（又称热导率，符号k或λ）是衡量材料传导热量能力的物理量，表示在单位温度梯度下，单位时间内通过单位面积的热量。其定义为：其中：q：热流密度（W/m²），表示单位时间通过单位面积的热量。∇T：温度梯度（K/m），表示温度沿空间的变化率。负号表示热量从高温向低温传递，符合热力学第二定律。单位为国际单位制（SI）中为瓦特每米每开尔文（W/(m·k)）。2.3材料属性2.3.4热膨胀系数2.常用材料的导热率范围不同材料的导热率取值不同，通常金属材料的导热率较高、气体的导热率较低，具体取值范围见表2-6。材料类别导热率k(W/(m·K))示例与应用金属50~400铜(~400)、铝(~237)、钢(~50)陶瓷1~150氧化铝(~30)、氮化铝(~320)聚合物0.1~0.5塑料(~0.2)、橡胶(~0.15)气体0.01~0.1空气(~0.026)复合材料可变石墨(~2000)、碳纤维(~5~1000)表2‑6常见材料的导热率2.3材料属性2.3.5热膨胀系数1.比热定义比热（又称比热容）是衡量材料吸热或放热能力的物理量，定义为单位质量的物质升高单位温度所需的热量。比热反映材料的储热能力，高比热材料（如水），吸收大量热量但温升小，适合做热缓冲介质；低比热材料（如金属），温升快，易导热但储热能力弱。其数学表达式为：其中：c：比热（单位：J/(kg·K)）。Q：吸收或释放的热量（单位：J）。m：物质的质量（单位：kg）。ΔT：温度变化（单位：K或°C）。2.3材料属性2.3.5热膨胀系数2.常用材料的比热值生活常见材料中，水的比热值较高，而塑料制品的比热值较低，详见表2-7。材料比热cp(J/(kg·K))特性说明水4186最高比热之一，用于冷却系统铝900金属中较高，适合散热器钢450中等比热，结构材料常用空气（干燥）1005气体比热低，温升快聚乙烯（PE）1800~2000塑料比热高，但导热率低表2‑7常见材料的比热值2.4材料模型材料的本构模型本质上是一组数学方程，用于描述材料在外力作用下的力学响应特性。在实际工程分析中，会遇到各种具有不同力学特性的材料，每种材料都需要选择合适的本构模型组合来准确表征其行为特征。以常见的结构钢为例，在常规设计工况下，可以采用最简单的各向同性线弹性本构模型，该模型具有以下特点：1）假设材料在各个方向上具有相同的力学性能.2）应力-应变关系遵循胡克定律。3）不考虑温度对材料性能的影响。4）忽略材料的塑性变形能力。分析涉及以下复杂工况时，就需要采用更高级的本构模型：1）过载工况（需要考虑塑性变形）。2）循环加载（需引入循环硬化/软化模型）。3）极端温度环境（需考虑温度相关性）。4）动态冲击（需考虑应变率效应）。2.4材料模型2.4.1线弹性材料线弹性材料是指在受力过程中，应力与应变保持线性关系的材料，其变形可完全恢复且无残余变形。这类材料遵循胡克定律，即应力与应变呈正比关系，弹性模量（E）为常数。具有线弹性特性的典型材料有低碳钢、铝合金等金属，该材料的主要特征有：1） 可逆性：卸载后材料能完全恢复原状，无塑性变形残留。2） 线性关系：在应力范围内，应力与应变呈直线关系，数学表达式为σ=Eε（σ为应力，E为弹性模量，ε为应变）。3） 适用范围：适用于小变形场景，常见于金属（如钢、铝）、某些陶瓷等刚性材料。线弹性材料遵循胡克定律，即随着载荷的增加或减少，应力与应变成正比。2.4材料模型2.4.2塑性材料线在应力超过材料的屈服应力（或弹性极限）时，弹性材料的本构关系不再有效。在这种情况下，变形不再是完全可恢复的并且开始发生永久性塑性变形。塑性理论应用于描述材料在发生不可恢复变形的塑性阶段的本构关系：1.屈服准则屈服准则（屈服表面）规定了材料从弹性行为到塑性行为的转变（塑性流动的开始）标准，根据材料在特定应力状态下的测试函数是否具有纯弹性响应，已经开发了几种屈服准则来描述不同的材料行为。1）Tresca屈服准则假设，当最大剪切应力（在一般应力状态下的材料点）达到单轴拉伸试验中发生屈服时的最大剪切应力值时，就会发生屈服。2）Von-Mises屈服准则假设，当畸变能（在一般应力状态下的材料点）等于单轴拉伸试验中屈服开始时的变形能时就会发生屈服。冯米塞斯屈服准则最适用于延性材料，如金属。3）Drucker-Prager屈服准则较好地描述表现出压力依赖性屈服的地质材料的行为。2.4材料模型2.4.2塑性材料2.硬化准则硬化规则规定了材料在塑性流动阶段的加载和卸载如何影响其屈服强度。通常材料塑性变形后卸载，再次加载时会提高材料的新屈服应力：这种行为被称为加工硬化，如图2-15所示。在各向同性硬化中，屈服面在所有方向上均匀地改变尺寸，使得当塑性应变发生时，屈服应力在所有应力方向上增加（或减少）。在运动硬化中，屈服面尺寸保持恒定，表面在应力空间中随渐进屈服而变化。2.4材料模型2.4.2塑性材料2.金属塑性特征硬化金属在达到屈服点之前的变形只会产生弹性应变，如果去除施加的载荷，弹性应变会完全恢复，即材料达到载荷施加前的状态。然而，一旦金属中的应力超过屈服应力，就会开始发生永久性（非弹性）变形。与这种永久性变形相关的应变称为塑性应变。当金属在屈服后区域变形时，弹性应变和塑性应变都会累积。一旦材料屈服，金属的刚度通常会急剧下降。已经屈服的延展性金属在除去施加的载荷后会恢复其初始弹性刚度，如图2-16所示。2.4材料模型2.4.3超弹性材料超弹性材料的特点是能够以相对较小的应力承受较大的应变（例如橡胶，见图2-21）。典型的超弹性材料有橡胶、固体推进剂弹性体等，其主要特征如下。1） 加载-卸载曲线基本重合。2） 快速加载时可能出现黏弹性耗散。3） 可恢复变形量大（可达数100%应变）。2.4材料模型2.4.3超弹性材料常用描述超弹性材料本构关系的数学模型Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Ogden模型等。模型适用场景复杂度所需试验数据Neo-Hookean小应变、快速仿真低单轴拉伸Mooney-Rivlin中等应变、平衡精度与效率中单轴+双轴拉伸Yeoh大应变、非均匀变形中单轴拉伸（多组）Ogden复杂非线性行为高单轴+双轴+剪切Arruda-Boyce分子链极限行为高大应变拉伸Gent不可压缩、大变形低单轴拉伸表2‑9不同超弹材料本构模型对比2.4材料模型2.4.4颗粒状摩擦材料颗粒状摩擦材料（如砂土、粉末、颗粒堆积体等）在工程中广泛存在，其力学行为与传统连续体材料（如金属、橡胶）有显著差异。典型的颗粒状摩擦材料有砂土、粉末材料等，其主要表现特征如下。1） 力学行为受颗粒重排支配。2） 表现出明显的压力相关性。3） 具有剪胀特性。4） 需采用Drucker-Prager等特殊本构模型。应用领域典型材料推荐本构模型土力学（地基、边坡）砂土、黏土临界状态模型（Cam-Clay）粉末冶金金属粉末Drucker-Prager雪崩模拟雪颗粒DEM（离散元）制药（药片压制）药物颗粒Mohr-Coulomb+塑性硬化表2‑10常用领域和本构关系归纳2.4材料模型2.4.5脆性材料脆性材料是指在外载荷作用下表现出极小的塑性变形，并在达到强度极限后突然断裂的材料，如岩石、混凝土、陶瓷、玻璃等。具体总结为如下：1） 断裂前几乎不发生塑性变形。2） 断裂应变小（通常<0.1%）。3） 抗压强度远大于抗拉强度。4） 需采用损伤力学模型描述断裂过程。应用领域典型材料推荐本构模型建筑结构（梁、柱）混凝土CDP模型/Mazars模型岩石力学（边坡）花岗岩、页岩损伤力学+摩尔-库仑准则微电子封装陶瓷（Al₂O₃）线弹性断裂力学（LEFM）防弹玻璃防弹玻璃相场断裂模型表2‑11脆性材料应用统计表2.5载荷和边界条件2.5.1载荷的定义在有限元分析（FEA）中，载荷是指施加在计算模型上的外部激励或边界条件，用于模拟真实物理环境中对结构的作用，从而求解结构的响应（如位移、应力、应变等）。载荷通过有限元方程的右端项{F}体现：其中：为刚度矩阵。为位移向量。为等效节点载荷向量（由外部载荷转换而来）。2.5载荷和边界条件2.5.2载荷的分类载荷可根据物理性质、作用方式和时间特性进行分类：类型载荷描述示例机械载荷直接施加的力或力矩集中力、压力、重力、惯性力热载荷由温度变化引起的热应变或热应力温度场、热流、对流/辐射边界电磁载荷电场或磁场作用产生的力（多用于多物理场耦合）洛伦兹力、静电力流体载荷流体对结构的压力或流固耦合（FSI）作用风压、水动力表2‑12按照物理性质不同的载荷分类表2.5载荷和边界条件2.5.2载荷的分类载荷可根据物理性质、作用方式和时间特性进行分类：表2‑13按照作用方式不同的载荷分类表类型载荷描述示例集中载荷作用在单个节点或局部点上的力/力矩螺栓预紧力、梁端支反力分布载荷连续作用在表面、边或体积上的力风压（面力）、自重（体积力）场载荷由物理场（如温度场、电磁场）间接引起的载荷热膨胀应力、电磁感应力2.5载荷和边界条件2.5.2载荷的分类载荷可根据物理性质、作用方式和时间特性进行分类：表2‑14按时间特性不同的载荷分类表类型载荷描述应用场景静载荷大小和方向不随时间变化建筑物恒载、固定设备重量瞬态载荷短期瞬时作用（如冲击、爆炸）碰撞分析、爆炸模拟周期性载荷随时间周期性变化（如正弦波、旋转力）振动分析、疲劳寿命预测随机载荷具有统计特性的非确定性载荷地震波、路面随机激励其中，有限元中还包含一些特殊载荷，具体如下。预紧力：模拟螺栓预紧状态的轴向力（如ABAQUS中的*BOLTLOAD）。惯性载荷：由加速度引起的虚拟力（如离心力、地震惯性力）。接触载荷：通过接触对传递的力（如齿轮啮合、碰撞接触力）2.5载荷和边界条件2.5.3和2.5.4约束的定义和分类约束是有限元分析中用于限制模型自由度（DOF）的边界条件，其本质是通过数学手段消除系统的刚体位移或强制特定运动规律，确保求解的静定性和合理性。约束定义了结构在空间中的固定、对称或运动关系，是平衡方程求解的基础。按照不同分类维度，可以分为不同的约束类型，以下是有限元中约束分类，见表2-22。2.5载荷和边界条件2.5.3和2.5.4约束的定义和分类表2‑22不同维度约束类型分类维度约束类型定义与特点典型应用场景按自由度限制固定约束完全限制节点的位移或旋转梁端固定、地基支撑部分约束仅限制特定方向自由度滑动轴承、简支梁按物理意义对称约束限制对称面法向位移，切向自由对称结构分析反对称约束限制对称面切向位移，法向自由扭矩作用下的圆柱体按数学实现单点约束（SPC）直接对节点自由度赋值简单边界条件多点约束（MPC）通过方程关联多个节点自由度（如刚性区域）复杂装配体、机构运动按分析类型静力学约束用于静态分析，消除刚体运动固定支撑、对称边界动力学约束考虑惯性效应（如基底加速度）地震分析、旋转机械特殊约束周期性约束强制周期边界位移连续无限大结构、复合材料重复单元载荷依赖约束约束随载荷变化（如跟随力方向）大变形接触问题非线性约束接触约束通过接触算法限制穿透（如罚函数法）齿轮啮合、螺栓连接摩擦约束限制切向滑动刹车片、机械夹具表2‑22不同维度约束类型2.6分析类型SOLIDWORKSSimulation根据模拟所施加载荷环境的类型、惯性效应和材料特性不同，选择适当的分析类型。常见的分析类型有静应力分析、频率分析、拓扑算例、设计算例、热力分析、屈曲分析、疲劳分析、非线性分析、线性动力分析、子模型分析、跌落分析和压力容器设计。在静应力分析中，可得到结构对所施加载荷（逐渐缓慢地施加直到达到其全部大小）的长期响应。如果在载荷随时间或频率变化，则需要进行动态分析。例如，例如跌落分析计算。非线性结构问题是指结构在变形时刚度发生变化的问题，所有的物理结构都表现出非线性行为。线性分析是一种方便的近似，基于胡克定律的分析，通常满足一般设计要求。对于许多非线性的结构受力变化如包括制造过程锻造或冲压、材料的应力和应变关系出现非线性，不满足胡克定律，则不能视为线性分析。2.6分析类型2.6.1材料非线性材料非线性是指材料的力学响应与载荷不成比例关系的现象，表现为应力-应变曲线不再是直线。这种非线性行为源于材料内部微观结构的变化，在工程实践中普遍存在但在较高应变下材料屈服，此时响应变得非线性和不可逆。有几个因素会影响应力-应变关系，例如：1） 载荷历史中产生塑性问题。2） 载荷持续时间较长产生蠕变分析，黏弹性。3） 温度较高产生热塑性。线性材料与非线性材料对比，见表2-23。特性线性材料非线性材料应力-应变关系直线（σ=Eε）曲线（σ=f(ε)）弹性模量恒定值随应变变化能量耗散无有（滞回效应）2.6分析类型2.6.2边界非线性边界非线性是指由边界条件变化引起的系统响应非线性，主要表现为接触、分离、摩擦等不连续边界行为的数学描述困难。与材料非线性不同，其非线性特性源于系统边界的状态改变，而非材料本身性质变化。边界非线性的一个例子是将一片材料吹入模具，在施加的压力下，薄板相对容易膨胀，直到开始接触模具。此后，由于边界条件的变化，必须加大压力才能继续成形板材。边界非线性是非常不连续的，当模拟过程中发生接触时，结构的响应会发生瞬时变化。图2‑27悬臂受力模型2.6分析类型2.6.3几何非线性几何非线性是指结构变形导致其几何构型发生显著变化，从而影响载荷传递路径和结构刚度的现象。当结构经历大位移、大转动或大应变时，必须考虑这种非线性效应。可能由以下原因引起：1） 大的弯曲或旋转，如鱼竿的弯曲（位移达长度50%）、橡胶薄膜拉伸（应变>5%）。2） 快速转变行为，如薄壳结构突然返现屈曲。3） 初始应力或负载硬化，拉索受力后横向刚度增强，旋转叶片离心力导致的刚度变化。一般来说，大的位移会导致结构以硬化或软化的方式响应，如图所示。2.6分析类型2.6.3几何非线性虑在尖端垂直加载的悬臂梁。如果尖端挠度很小，则可以认为分析是近似线性的。然而，如果尖端挠度很大，结构的形状就会发生变化，因此其刚度也会发生变化。此外，如果负载不保持与梁的垂直，则负载对结构的作用会发生显著变化。当悬臂梁偏转时，载荷可以分解成垂直于梁的分量和沿梁长度方向作用的分量。这两种影响都会导致悬臂梁的非线性响应（即梁的刚度随其所承载载荷的增加而变化），如图2-29所示。人们可以预期，大的挠度和旋转会对结构承载载荷的方式产生重大影响。图2‑29悬臂梁变形过程示例2.7习题1.什么是几何体离散化？2.常见的检验网格质量的方法有哪几种？3.生活中常见的材料可划分为几种？每种材料有什么特性？谢谢大家Solidworkssimulation仿真教程介绍零件在静力载荷作用下的应力、应变特性第三章应力分析（1）静应力分析的基础知识（2）静力学分析的流程、静应力分析的属性设置等内容（3）有限元的静应力分析是指使用有限元方法来模拟一个结构在静态载荷（不随时间变化或变化非常缓慢的载荷）作用下的力学响应。它计算的是结构在载荷达到稳定状态后的应力和变形。3.1静力学分析基础知识静应力分析（StaticStructuralAnalysis）是有限元方法（FEM）中最基础的应用之一，用于计算结构在静载荷（不随时间变化或缓慢变化的力）作用下的位移、应变和应力分布。其核心方程包括平衡方程、几何方程、本构方程，并通过虚功原理或最小势能原理建立有限元求解格式。3.1.1静应力分析的应用领域（1）机械工程领域机械零部件设计如分析轴、齿轮、轴承、支架等部件的应力分布，避免塑性变形或断裂。例如，机床底座需保证刚度，防止加工误差。压力容器设计，如验证储罐、锅炉在内压作用下的安全性，确保符合ASME等标准。（2）土木工程领域桥梁与建筑设计，如计算恒载（自重）和活载（车辆、人群）下的应力，优化结构设计。如斜拉桥索塔的应力分析。大坝与隧道设计，如评估水压、土压下的稳定性，预防裂缝或坍塌。3.1静力学分析基础知识3.1.1静应力分析的应用领域（3）航空航天领域飞行器结构设计，如机翼在气动载荷下的应力、机身框架的承载能力分析，确保轻量化与强度的平衡。火箭部件设计，如燃料贮箱在发射静载荷下的结构完整性。（4）汽车工程领域车身与底盘设计与校核，如静态载荷下车身框架的强度分析，如悬挂系统在最大载荷时的应力。发动机部件设计，如曲轴、活塞在爆发压力下的应力分布优化。（5）能源领域风力发电机叶片设计，如静止或额定风速下的应力分析，确定材料厚度与铺层方向。核反应堆容器设计，如长期承受高温高压的静力学性能评估。（6）电子电器领域电路板与封装受力分析，如安装过程中引脚焊接的机械应力分析，防止脆性断裂。散热结构结构分析，如散热片在热膨胀下的变形控制。3.1静力学分析基础知识3.1.1静应力分析的应用领域（7）生物医学领域骨科植入物人工髋关节在步行静载荷下的应力分布，避免金属疲劳。（8）材料研发领域新材料测试工作，如测定复合材料层合板的极限强度，指导工艺改进。（9）失效分析通过应力反推机械部件断裂原因，如起重机吊臂过载分析。（10）核心价值安全性设计：预防过载失效，保障生命财产安全。优化设计：减少材料冗余，降低成本。合规性：满足行业标准与法规要求。通过静应力分析，工程师能够在设计阶段预见潜在问题，确保结构在各种静态负载下的可靠性与经济性。3.1静力学分析基础知识3.1.2弹性力学基本方程静应力分析的理论基础建立在弹性力学三大基本方程之上：(1)平衡方程(2)几何方程(3)本构方程3.1静力学分析基础知识3.1.3基本假设条件在静止状态下，大多数的工程问题在受到均匀载荷时（即不收加速度影响），可简化为线性问题。因此，必须对工况和材料进行一定的简化和假设：1）材料连续性假设指变形固体的内部组织是连续不间断的，内部没有空洞、隔断等缺陷。2）材料均匀性假设指变形固体的内部组织均由同一种材料构成。3）材料各向同性假设指变形固体内部组织的任一点在各个方向上具有相同的物理性质。4）弹性阶段假设指结构体在受力过程中，应力和应变成线性比例关系。5）小变形假设指结构体在外力作用下的变形，相对于自身的几何尺寸属于小变形，通常指变形量在5%以内。6）缓慢加载和卸载所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到达到其完全量值。3.1静力学分析基础知识3.1.4边界值问题的数学描述在综合三大方程，静力学问题可以表述为：在给定边界条件下求解满足平衡方程的位移场，其场形式为：在域Ω内：其中在边界Γ上：u=û（位移边界）。n·σ=t̂（力边界）。其中û和t̂分别为给定的边界位移和面力。3.1静力学分析基础知识3.1.5离散化过程离散化是将连续几何体转化为有限个离散单元的过程，这是有限元分析的基础步骤。其核心思想是将复杂的连续问题分解为多个简单子问题的集合，通过对这些子问题的求解来逼近原问题的解。有限元法的核心思想是将连续体离散为有限个单元的组合体。离散化过程包括：（1）几何修复和简化（2）单元类型选择（3）节点定义（4）形函数构造静应力分析作为有限元方法的基础，其理论体系已经相当成熟，但在工程应用中仍面临诸多挑战。随着计算技术的发展和新材料的出现，静力分析的方法和应用范围仍在不断扩展。掌握其基本原理是进行更复杂分析的必要基础，也是正确解读计算结果的根本保证。3.2静应力分析流程3.2.1打开Simulation模块单击【SOLIDWORKS插件】→【SOLIDWORKSSimulation】→【Simulation】→【静应力分析】进入仿真模块。在该模块中，可对三维实体模型进行受力分析。单击【使用2D简化】可进行轴对称、平面受力等2维模型进行受力分析。3.2静应力分析流程3.2.2定义几何模型的材料属性可以通过如下方法定义材料属性：1）单击标题栏的①【应用材料】模块，进入定义几何模型的材料指定，系统的材料库中提供了金属、橡胶、木材、塑料等常用的材料。2）通过【自定义材料】模块自己定义材料属性。如果在CAD系统中定义了材料属性，则不需要执行这一步。建立在静力分析之上的疲劳算例和优化算例，使用已建立的静力分析来获得材料定义，如图3-1所示。3.2静应力分析流程3.2.3定义接触关系定义零部件接触与相触面组，零件之间的交互条件，可以控制零部件在仿真过程中的行为。可以在全局级别、零部件级别或局部级别指定几何实体之间的交互关系。常用的交互关系见表。关系名称内容阐述接触用于静态算例、掉落测试算例和非线性算例。接触关系可防止实体之间的干涉，但允许形成缝隙接合适用于所有需要网格化的算例类型。接合关系可将实体之间像焊接一样不可分割。可将组1实体（顶点、边线、面、横梁铰链和横梁）接合到组2面。顶点、边线、和面可属于壳体或实体。接合的行为取决于源实体是属于实体、壳体还是横梁。如果源实体属于某个壳体或横梁，接合的形式将是固定连接，壳体与实体之间的原始角度将在变形期间保持不变。如果源实体属于实体，接合的形式则为铰接，壳体与实体之间的角度可能会发生变化自由适用于静态算例、非线性算例、频率算例、扭曲算例及掉落测试算例。该程序将组1与组2（源与目标）面视为不相连。如果应用的载荷没有引起干涉，使用此选项可节省解决时间。如果无法确定载荷是否会在仿真期间导致干涉，请勿使用此选项。请使用比例因子1.0绘制变形形状，以检查干涉冷缩配合只适用于静态算例和非线性算例。应用于发生干涉零部件中，从两个最初互相干涉的零部件中选择面。可单击【工具】→【评估】→【干涉检查】以确保两个面发生干涉虚拟壁只适用于静态算例。此接触类型定义组1实体与目标基准面定义的虚拟壁之间的接触。目标基准面可以是刚性或非刚性。通过指定非零的摩擦系数值，可以定义组1实体和目标基准面之间的摩擦已绝缘只适用于热力算例。此选项类似于结构算例的自由选项。程序将组1和组2视为不相连。该程序可以防止因组1和组2实体的传导而产生热流热阻只适用于热力算例。此选项允许指定组1和组2面之间的热阻3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束静态算例需要一定类型的载荷或规定位移，载荷对于频率算例而言是可选的。对静载分析，常用的载荷有压力、力、引力、离心力、远程载荷和约束、轴承载荷和冷缩配合等，见表。3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束3.2静应力分析流程3.2.4定义载荷和约束3.2静应力分析流程3.2.5网格划分网格划分是设计分析过程中一个至关重要的步骤。该软件中的自动网格器会根据整体单元大小、公差及局部网格控制规格来创建网格。网格化会创建3D四面实体单元、2D三角形壳体单元、及1D横梁单元。网格由一种类型单元组成，除非指定了混合网格类型。实体单元天然适合大型模型。壳体单元自然适合建模细薄零件（钣金），横梁和桁架适合建模结构构件。在左侧仿真目录树中，单击右键【网格】按钮可出现【网格顾问】、【为网格简化模型】、【生成网格】、【加网格并运行】等命令，见表3-4。3.2静应力分析流程3.2.5网格划分3.2静应力分析流程3.2.5网格划分3.2静应力分析流程3.2.6运行算例并查看结果在成功运行算例之后，软件会在Simulation中创建【结果】文件夹。【结果】文件夹的默认图解取决于算例的类型和在“选项”对话框的“默认选项”选项卡上设定的选项。在静应力分析中，【结果】文件夹内通常会包含应力、应变和位移三个选项。在【结果】单击右键，弹出菜单栏中有【结果顾问】、【计算器信息】、【定义收敛诊断图解】、【定义热点诊断】、【定义安全系数图解】、【定义应力图解】、【定义位移图解】、【定义应变图解】等项目，使用者可以自己选择定义的类型图解，具体为在相应的所需求类型图解进行单击，即可将该类型图解添加到结果文件夹内。具体图标内容见表3-5。3.2静应力分析流程3.2.6运行算例并查看结果3.2静应力分析流程3.2.6运行算例并查看结果3.2静应力分析流程3.2.6运行算例并查看结果在【应力】选项上单击鼠标右键，可以得到【隐藏】、【编辑定义】、【图表选项】、【设定】、【动画】、【截面剪裁】【Iso剪裁】等多个结果展示功能选项，其具体的含义如表3-6所示。3.2静应力分析流程3.2.6运行算例并查看结果3.2静应力分析流程3.2.7结果分量在SOLIDWORKSSimulation中，结果分量（ResultComponents）是指分析结果中不同方向或类型的物理量，通常用于描述应力、位移、应变等参数的特定方向或组合。以下是常见的分量及其含义见表37。名称分量名称内容说明节点应力SX：X法向应力SY：Y法向应力SZ：Z法向应力TXY：YZ基准面上的Y方向抗剪TYZ：XZ基准面上的Z方向抗剪P1：第一主要应力P2：第二主要应力P3：第三主要应力VON：von-Mises应力INT：应力强度(P1-P3)TRI：三轴应力(P1+P2+P3)3.2静应力分析流程3.2.7结果分量单元应力SX：X法向应力SY：Y法向应力SZ：Z法向应力TXY：YZ基准面上的Y方向抗剪TYZ：XZ基准面上的Z方向抗剪P1：第一主要应力P2：第二主要应力P3：第三主要应力VON：von-Mises应力INT：应力强度(P1-P3)TRI：三轴应力(P1+P2+P3)CP：接触压力3.2静应力分析流程3.2.7结果分量位移UX：位移（X方向）UY：位移（Y方向）UZ：位移（Z方向）URES：合位移RFX：反作用力（X方向）RFY：反作用力（Y方向）RFZ：反作用力（Z方向）RFRES：合力反作用力方向）RX：旋转（X方向）RY：旋转（Y方向）RZ：旋转（Z方向）RMX：反力矩（X方向）RMY：反力矩（Y方向）RMZ：反力矩（Z方向）RMRES：合力反力矩3.2静应力分析流程3.2.7结果分量节点应变EPSX：X正应变EPSY：Y正应变EPSZ：Z正应变GMXY：YZ基准面上的Y方向抗剪GMXZ：YZ基准面上的Z方向抗剪GMYZ：XZ基准面上的Z方向抗剪ESTRN：对等应变E1：正应变（第一主要方向）E2：正应变（第二主要方向）E3：正应变（第三主要方向）3.2静应力分析流程3.2.7结果分量单元应变EPSX：X正应变EPSY：Y正应变EPSZ：Z正应变GMXY：YZ基准面上的Y方向抗剪GMXZ：YZ基准面上的Z方向抗剪GMYZ：XZ基准面上的Z方向抗剪ESTRN：对等应变SEDENS：应变能密度ENERGY：总应变能E1：正应变（第一主要方向）E2：正应变（第二主要方向）E3：正应变（第三主要方向）3.3静应力分析属性设置3.3.1选项内容静态分析之前，通常需要对分析进行设置，如图32所示，可通过选项PropertyManager，请执行以下一项操作，从SimulationCommandManager中，选择【新算例】然后选择【算例属性】。也可以在静态算例树中，右键单击顶部节点，然后单击【属性】。在属性中可以设置求解器类型和解算过程中的边界或者位移的要求，详细见表3-8。3.3静应力分析属性设置3.3.1选项内容表3‑8静态分析属性设置表项目名称内容自动软件会根据方程式数量、负载实例、网格类型、几何特征、接触和接头特征以及可用系统内存，选择最佳方程式解算器（IntelDirectSparse或FFEPlus迭代）。某些选项和条件仅适用于IntelDirectSparse或FFEPlus解算器手动选择要用于仿真的解算器FFEPlus选择FFEPlus解算器运行算例。此求解器使用高级矩阵图重新排序技术，因此在处理大型问题时效率更高。每2,000,000个自由度需要1GBRAMLargeProblemDirectSparse通过利用增强的内存分配算法，LargeProblemDirectSparse解算器可以处理超过计算机物理内存的仿真问题IntelDirectSparseIntelDirectSparse解算器可用于静态、热力、频率、线性动态和非线性算例。通过利用增强的内存分配算法和多核处理能力，IntelDirectSparse解算器提高了在内核中求解仿真问题时的速度。IntelDirectSparse解算器能够更高效地利用多个内核接触惩罚刚度比例因子指定线性静态算例中所用接触的惩罚刚度的比例因子。要获得具有接触交互的线性静态算例的精确解，请使用1.0作为惩罚刚度因子。要评估设计迭代和模型的整体行为，请指定小于1.0的值，以更快地获得近似解大型位移复选此选项时，该程序会以渐进、均匀的方式分步应用载荷直至达到最大载荷，并在每一步中执行接触迭代。步骤数由该程序内部决定。此选项不可用于2D简化算例计算自由实体力选择此复选框将指示应用程序在每个节点处的网格力平衡。在打开了此旗标的情况下运行某个算例之后，右键单击“结果”结果文件夹并选择“列举合力”可以列出面、边线和顶点上的作用力。这些力可以来自于接触、外部载荷、约束或接头。此选项不可用于2D简化算例3.3静应力分析属性设置3.3.2自适应选项内容静态自适应网格（StaticAdaptiveMesh）是SOLIDWORKSSimulation中一项重要的网格控制技术，它通过自动调整网格密度来提高特定区域的求解精度，设置位置如图3-3所示。本软件提供h-自适应和p-自适应两种方法，每种自适应的目标精度、精度偏差、网格粗糙化等技术指标不同，以下是两个自适应的技术指标区别，见表3-9、表3-10。3.3静应力分析属性设置3.3.2自适应选项内容表3‑9h-自适应选项内容目标精度设置应变能量范数的精度水准。这不是应力精度水准。但是，如果应变能量范数的收敛精度水准高，则表明应力结果的精度也高。使用滑杆来设定所需的精确度精度偏差可以将滑杆向可以将滑杆向移动，指示程序使用较少的元素集中获取精确的峰值应力结果。或者，也可以将滑杆向全局移动，指示程序集中获取整体精确结果。集中力和尖锐边角位置会出现应力奇异性。由于使用了较小的单元，这些位置的应力会不断增加。对于有此类奇异性的模型，建议将滑杆向全局移动最大循环数设置运行算例时允许的最大循环数。有效的最大循环数为5网格粗糙化网格粗糙化-复选该选项可以允许该程序在自适应循环期间粗糙化错误少的区域中的网格。连续环中的单元数会视模型和初始网格的不同而可能增加或减少。如果不复选此选项，程序将不会更改错误少的区域中的网格。在这种情况下，每个自适应循环中的单元数会不断增加3.3静应力分析属性设置3.3.2自适应选项内容表3‑10p-自适应选项内容停止时间设定用于指示环的收敛和结束的总体准则。从以下选项中选择：总应变能：将所有单元的应变能相加计算出的模型的应变能。RMSvonMises应力：节点vonMises应力的均方根值。RMSRes.位移：节点合位移的均方根值更改为xx%或更低设定所选总体准则中允许的最大相对更改更新相对应变能错误率为xx%或更高的单元设定在每个单元的应变能中最大允许的相对错误。如果其他两个停止准则均未满足，该程序将增加应变能为xx%或更高的单元的多项式阶序（多项式阶序：就是软件在计算过程中，自动地将所选单元从低阶形函数（如线性）升级到高阶形函数（如二次、三次），从而在不改变网格数量的情况下，大幅提升该单元及所在区域的计算精度）开始p-阶序设置第一个循环的元素阶次。最低阶序为2，最高阶序为5最大p-阶序设置最大元素阶次。有效的最高阶序为5最大循环数设定此分析中允许的最大循环数。有效的最大循环数为43.4

实例：支撑架静应力分析3.4.1创建分析系统新建如图34所示尺寸几何体，或者打开课后辅助文件。①单击【SOLIDWORKS插件】②单击【SOLIDWORKSSimulation】③单击【Simulation】④单击【新算例】⑤【静应力分析】创建一个静应力的分析模型，如图3-5所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.2材料赋值单击①【应用材料】，在弹出的对话框中选择②【普通碳钢】，最后单击③【应用】。这样就将材料赋值给几何结构，如图3-6所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.3指定约束和载荷（1）约束施加在左边导航树中，鼠标右键单击①【夹具】，在弹出的菜单中，鼠标左击②【固定几何体】选项，单击③选项同时选择单击④选项，选择几何体中间圆孔的内表面。这样内表面上的节点在空间中的位移和旋转被固定住，如图3-7所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.3指定约束和载荷（2）载荷施加本次算例在支撑架的上平面施加10000N多轴向压力，在右端面施加100N∙m的扭矩。在目录树中，鼠标右击①【外部载荷】在弹出的对话框中单击②【力】，继续在打开的对话框中，单击③选择支撑架的上平面作为轴向力的作用面，单击④施加1000N的载荷。打开力和扭矩对话框，鼠标单击⑤【扭矩】，单击⑥【力矩的面】选择支架的最右端面为扭矩施加位置，单击⑦为力矩选择方向轴，单击⑧输入扭矩值100，如图3-8所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.4网格划分在目录树中，鼠标右键单击①【网格】，在弹出的对话框中，单击②【生成网格】，在弹出的对话框中左右拖动③【网格因子】来调整整体网格的大小，也可以单击④【最大单元大小】设置为10mm，单击⑤【最小单元大小】设置为1mm，确定后即可整体网格划分，如图39所示。进一步，可对结构上的四个孔进行局部尺寸加密，标右键单击①【网格】，在弹出的对话框中选择⑥【应用网格控制】，单击⑦选择支撑架的四个圆孔内表面，单击⑧设置最大单元大小】设置为2mm，单击⑨【最小单元大小】设置为1mm，最后单击⑩【生成网格】完成局部网格划分，局部网格划分后，如图3-10所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.4网格划分3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.4网格划分图3‑10网格细化对比图3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.5查看运行结果在单击①【运行此算例】即可运行分析，通常静应力分析的②【结果】包含【应力】、【位移】、【应变】三个选项。通过分析结果可以看到，最大von-Mises应力位置位于四个轴孔内，应力值为116.8MPa，最大位移量为0.29mm。整个结构受力不均匀，上部两个螺孔位置受力最大，下面两个螺孔及螺孔所在面板受力较小，鼠标右键单击③【应力】，在弹出的对话框中单击④【编辑定义】，单击⑤可以选择不同的强度准则。单击⑥可以选择应力的单位，如图311所示。3.4

实例：支撑架静应力分析3.4.5查看运行结果3.5

实例：管道配合-轴对称分析有限元轴对称分析（AxisymmetricFiniteElementAnalysis）是针对具有轴对称几何形状和载荷条件的工程问题所采用的一种简化分析方法。当物体的几何形状、材料属性以及边界条件都关于某一轴线对称时，可以将三维问题简化为二维问题进行分析，从而显著减少计算量。有限元轴对称分析在工程中应用广泛，特别适合几何、载荷和边界条件均关于中心轴对称的问题。3.5.1轴对称分析的应用领域（1）压力容器与管道分析：圆柱形或球形压力容器、管道、储罐的受力分析。（2）旋转机械部件：涡轮盘、飞轮、轴承、齿轮等旋转对称结构分析。（3）地质与岩土工程：桩基、隧道、钻井等轴对称结构受力分析。（4）制造工艺仿真：旋压、拉深、注塑成型等工艺受力分析。（5）传热分析：轴对称热传导或热应力问题。（6）生物医学工程：血管、人工关节等近似轴对称的生物结构受力分析。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.2建立模型本次分析管道的轴对称连接问题，两个管道通过锥形口连接，采用轴对称模型，将管道进行2维简化，管的内部承受10MPa的均布压力，材料选择普通碳钢。最终观察材料的应力分布，以及接触面上的接触压力分布。必须注意的是，在轴对称分析系统中，需要一根对称轴，因此二维建模的过程中要建立一根空间的对称轴。如图3-12所示中的中心轴Axis1。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.3创建轴对称分析系统单击【新算例】选项在弹出对话框中单击①【名称】选项改为“管道配合-轴对称分析”，单击②勾选【使用2D简化】选项后单击【确定】按钮，在弹出的对话框中单击③【轴对称】选项，单击④【剖切面】选项旋转两个建立的曲面，选择好后曲面成黄色，如果选择曲面的时候无法选取，可能是你的建模方向与所在建模平面的法线方向相反，系统默认建模平面的法线方向指向平面外侧时，模型建立在对称轴的右侧。出现上述问题时，勾选⑥【使用另一边】选项，选择曲面即可。单击⑤【对称轴】选项选择建立的中心轴Axis1，最后单击确定即可，具体流程如图3-13所示。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.4材料赋值鼠标单击①【应用材料】选项，在弹出的对话框中单击②【普通碳钢】选项，最后单击③【应用】选项，完成材料赋值。如图3-14所示。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.5连结关系设置如果分析系统中存在两个实体，系统会自动设置这两个实体的连结关系，并默认将连接关系设置为“结合”。本次分析需要观察两个曲面的接触压力关系，因此需要将默认的结合关系改为“接触”关系。鼠标右键单击①【零部件交互】选项下的【全局交互】选项，在弹出的对话框中单击②【编辑定义】，再点击③【接触】选项，并勾选④【摩擦系数】设置摩擦系数为0.05，如图3-15所示。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.6边界条件和载荷鼠标右键单击【夹具】选项，弹出的对话框中单击①【固定几何体】选项，弹出的对话框中单击②【固定几何体】，再单击③【夹具的边线、顶点】中选择配合体的最上边缘线进行固定。鼠标右键单击【外部载荷】选项，弹出的对话框中选择【压力】选项，弹出的对话框中单击④【压强的面】中选择装配体最下面内边线位置，单击⑤【压强值】选项，输入2MPa压力，如图3-16所示。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.6边界条件和载荷3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.7网格划分和查看运行结果鼠标右键单击①【网格】选项，在弹出的对话框中选择【网格参数】选项，单击②将最大网格尺寸修改为1mm，最小网格尺寸修改为0.2mm。单击④【运行此算例】选项，即可运行系统。系统默认的输出结果为【应力】、【应变】、【位移】三个选项卡。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.7网格划分和查看运行结果在【应力】选项中单击右键鼠标⑤，在弹出的对话框中鼠标左击⑥【显示为3D图解】，视图可以三维模式显示计算结果如图3-17所示。本次分析，最大von-Mises应力为144.1MPa，如图3-18所示。3.5

实例：管道配合-轴对称分析3.5.7网格划分和查看运行结果本次分析中设置了“面-面”接触的结合关系，配合面上存在接触压力，现在观察接触压力的分布情况。鼠标右键单击⑦【应力】选项，在弹出的对话框中单击⑧【编辑定义】，在⑨应力选项选择⑩【CP：接触压力】,即可显示整体的接触压力，如图3-19所示。最大