Solidworks simulation仿真教程-课件 第6、7章 疲劳分析、优化分析

Solidworkssimulation仿真教程6.1疲劳分析基础知识Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析疲劳的基本概念疲劳的分类疲劳术语平均应力修正方法疲劳分析的应用领域疲劳的基本概念1. 疲劳失效。疲劳失效（FatigueFailure）是指材料或结构在循环载荷（交变应力）作用下，经历一定次数的应力循环后，零件或者构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展，即使应力幅值远低于材料的静态强度极限，仍发生突然断裂的现象。2. 疲劳强度。疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷的作用下产生破坏的最大应力，也称疲劳极限。3. 疲劳寿命。材料或者结构在疲劳破坏之前经历的应力循环次数成为疲劳寿命。4. 疲劳失效的破坏机理。疲劳失效是材料在循环应力作用下，经历裂纹萌生、扩展和最终断裂的过程。其破坏机理涉及微观结构演变、裂纹形成及扩展动力学。2.疲劳的分类1. 高周疲劳。高周疲劳指载荷循环次数高的情况下产生的疲劳失效。工作应力通常低于材料的屈服极限，通常循环载荷在时，规划为高周疲劳。高周疲劳应力幅值起到主要的疲劳破坏作用，又称应力疲劳。2. 低周疲劳。低周疲劳是指在循环次数较低（通常少于10^4~10^5次）时发生的疲劳失效。其特点是应力水平接近或超过材料的屈服极限，导致显著的塑性应变。在此状态下，塑性应变是疲劳破坏的主控因素，因此也常被称为“应变疲劳”。该分析方法需要采用基于弹塑性力学的特定程序，本书不包含此部分。3.载荷分类。按照载荷变化情况可分为恒定振幅载荷、变化振幅载荷、比例载荷和非比例载荷2.疲劳的分类(1)恒定振幅载荷恒定振幅载荷指在循环载荷中，每个应力循环的最大应力和最小的应力均保持不变，即应力循环时具有相同的应力幅值及平均应力，成为恒定应力载荷。该载荷由交替应力、平均应力、应力比率和周期数4个参数定义。2.疲劳的分类(2)变化振幅载荷变化振幅载荷（VariableAmplitudeLoading）是指幅值随时间发生变化的动态载荷，与恒定振幅载荷相对。在实际工程环境中，绝大多数结构承受的载荷都属于变化振幅载荷。(3)比例载荷在振动分析中，比例载荷是指结构各点所受动态载荷随时间保持固定比例关系的加载状态。(4)非比例载荷在振动分析中，非比例载荷是指结构各点所受动态载荷随时间不保持固定比例关系的加载状态。3.疲劳术语1.疲劳强度在给定的周期数下，疲劳失效发生时的应力，3.疲劳术语2.疲劳极限在循环次数趋于无穷时，疲劳不发生失效的最大应力。实际中一般取一个较大的循环次数下的疲劳强度为疲劳极限，一般选取周次的循环下的疲劳强度。金属材料的疲劳极限（通常指旋转弯曲疲劳极限）与其屈服强度的比值因材料类型、加载条件和表面状态而异。3.疲劳术语3.S-N曲线（应力-寿命曲线）S-N曲线（应力-寿命曲线）是描述材料在循环载荷作用下应力幅（S）与失效循环次数（N）之间关系的曲线，是疲劳分析的核心工具之一。准确的S-N曲线可以通过实际产品或者同类型、相同材料的产品经过疲劳测试来获得。但大多数情况下，没有实验条件获取准确的实验结果，所以需要参考各种工具手册提供的S-N曲线。大多数的S-N曲线是从单轴对称循环应力周期的疲劳测试中获得。如果存在不同平均应力比率的曲线，则需要使用平均应力纠正算法来处理。大多数经过测试的S-N曲线的数据都是分散的，需要进行数学拟合的方法，得到一条光滑的曲线，为了更加安全，大多数的工件手册将拟合的S-N曲线取一个可靠系数0.52，这样虽然降低了疲劳强度，但增加了系统安全性。4.平均应力修正方法在工程结构和机械部件的疲劳寿命分析中，载荷循环的平均应力对材料的疲劳性能具有显著影响。标准的S-N曲线（应力-寿命曲线）通常基于对称循环应力，但实际工况往往存在非零的平均应力。因此，平均应力修正成为疲劳分析的关键步骤，其目的是将非对称循环应力通过修正模型（如Goodman、Gerber）将的影响量化，并转化为等效对称应力，使标准S-N曲线可直接使用。5.疲劳分析的应用领域（1）机械与装备制造（2）结构优化设计（3）飞机结构疲劳管理（4）损伤容限设计（DamageTolerance）（5）汽车工业中车辆结构疲劳分析（6）土木与建筑工程领域中结构的疲劳分析（7）电子与微机电系统（MEMS）疲劳分析6.2疲劳分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析5.2屈曲分析属性设置疲劳分析之前可进行分析的属性设置，可以定义具有恒定高低幅度事件或可变高低幅度事件的研究。算例中不仅能含恒定高低幅度事件，又包含可变高低幅度事件。具体的设置页面如图6.5所示。5.2屈曲分析属性设置选项名称内容含义恒定振幅事件交互作用随意交互作用该软件会考虑将不同事件产生的峰值应力相混合来求出交替应力的可能性。只有在定义了一个以上的疲劳事件时，此选项才有意义。对于ASME锅炉和压力容器，建议采用此选项。它比“无交互作用”选项更保守（预测更大的破坏）无交互作用该软件假定事件按顺序一个接一个地发生，没有任何交互作用。对于参考多个研究的疲劳事件的研究，即使选择“无交互作用”选项，程序也会根据“随机”选项计算峰值应力计算交替应力的手段雨流记数的箱数设定可变高低幅度记录分解的箱数。例如，如果输入32，程序会将载荷分解为32个等间距的范围。每个范围内的载荷是恒定的。最大箱数为200在以下过滤载荷周期程序将滤掉范围小于最大范围的指定百分比的载荷周期。例如，如果指定3%，程序将忽略载荷范围小于载荷历史最大范围3%的周期。使用此参数可滤掉测量设备的噪声。指定大数字会扭曲可变高低幅度记录，并会导致低估破坏。为准确预测破坏，滤掉的最高交错应力不应大于任何关联的S-N曲线的对等持久极限壳体面上视为顶部外壳面执行疲劳分析下视为底部外壳面执行疲劳分析6.3实例：带孔平板疲劳分析Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析建立静应力分析系统边界约束和施加载荷运行结果建立疲劳分析系统疲劳分析运行结果6.3实例：带孔平板疲劳分析本节将对一个带孔平板进行等幅疲劳分析，板承受对称的交变载荷。重点学习如何定义材料的S-N曲线，以及如何正确地解释疲劳结果。如图66所示，一个中间带有圆孔的平板，材料为普通碳钢，观察板在等幅交变载荷作用下的疲劳寿命分布情况。1.建立静应力分析系统疲劳分析系统的分析是需要建立在静应力分析的基础上，因此需要先建立一个静应力分析系统。单击①【新算例】在弹出的菜单中选择②【静应力分析】，将【名称】改为“带孔平板-静应力分析1”。对结构进行材料赋值，单击④【应用材料】在弹出的菜单中选择⑤【普通碳钢】单击⑥【应用】，这样完成材料的赋值，如图67所示。1.建立静应力分析系统2.边界约束和施加载荷单击【夹具】选项，在弹出的对话框中单击⑦【固定几何体】，【点线面】选择框中选择平板的底面进行固定约束。单击【外部载荷】选项，在弹出的对话框中选择⑧【力】，在【点线面】选择框中选择平板的顶面施加一个方向向外的拉力，拉力值为20000N。3.运行结果单击【运行】选项后，系统自动运行通常会计算应力、应变和变形三个结果值。在应力分析中默认为von-Mises应力，本次分析结果最大von-Mises应力值为141MPa，材料屈服强度为221MPa，分析结果占屈服强度的63.8%，根据前面内容可知，钢铁材料的疲劳极限通常为屈服强度的35%~60%，即本次分析的结果表明，该结构的最大应力是超过材料的疲劳极限的，在循环载荷作用下是可能发生疲劳破坏的。那到底多少次的周期循环载荷会让材料产生疲劳破坏呢？下一步进行疲劳系统分析，3.运行结果4.建立疲劳分析系统右键单击①【新算例】选项，在弹出菜单中选择②【疲劳】中的第一个选项【已定义周期的恒定高低幅度事件】，单击③【名称】将分析名称定义为“带孔平板-疲劳1”。在名称④“带孔平板-疲劳1”上单击右键鼠标，弹出对话框中选择⑤【属性】4.建立疲劳分析系统单击⑥【无交互作用】，即考虑单作用载荷，不考虑多个载荷之间的交互影响作用。如果需要考虑交替应力的影响，选择单击⑦【对等应力（von-Mises）】，单击⑧无平均应力纠正，对于平均应力不等于0的周期性载荷，需要进行平均应力修正。4.建立疲劳分析系统在“带孔平板（ASME碳钢）”上单击鼠标右键，在弹出的对话框中单击⑨【应用/编辑疲劳数据】，在弹出的对话框中单击⑪【疲劳SN曲线】选项，单击⑫【插值】这里选择“双对数”差值，前章节中已经介绍线性插值法、双对数插值法和半对数插值法，以及每种插值法与材料的匹配问题。由于本次实例属于钢材的高周疲劳问题，所以更适用于双对数插值法。【定义】选项中，选择“曲线0（R=-1）”即应力比等于-1，即平均应力为0，且最小应力与最大应力之比为-1。单击⑬【从材料弹性模量派生】，从选项中选择⑭“基于ASME碳钢曲线”。选择后，即可在【表格数据】选项中推导出材料SN的疲劳寿命曲线。单击⑮【视图】选项，可以曲线形式展示出材料的SN曲线。4.建立疲劳分析系统4.建立疲劳分析系统单击⑯【负载（恒定负载）】选项，在弹出的对话框中单击⑰【添加事件】选项，在弹出对话框中单击⑱【周期】选项框中输入100000次的循环周期。【负载类型】选择“完全翻转（LR=-1）”。5.疲劳分析运行结果在①【结果】选项上单击鼠标右键，在弹出对话框中单击②【定义疲劳图解选项】，本软件可以展示“生命”、“损坏”、“载荷因子”和“双轴性指示符”四种选项，从四个角度以图解的形式展示材料的疲劳结果。单击③【列出疲劳结果】可以从四个角度以数据的形式来展示材料的疲劳结果。5.疲劳分析运行结果【高级选项中】④“极端值”和⑤“范围”规划显示数据的取值范围。④“极端值”包含“绝对最大值”、“代数最大值”和“代数最小值”，可以以百分比的形式展示出所有节点中前5%的节点的“极端值”数值。还可以单击⑥【范围】选项卡，以节点变化范围的形式，确定数据的展示范围，5.疲劳分析运行结果“损坏图解”可以将疲劳导致的损坏率以百分比的形式展示出来，也可理解为由定义的疲劳事件造成的结构生命的百分比。本次分析中，方板内孔中间位置即红色区域的最大损坏百分比为108.65%。1、【损坏】图解5.疲劳分析运行结果将定义的疲劳事件造成的结构生命周期以图解的形式展示出来，可以展示出每个部位在疲劳事件作用下的生命周期数量。2、【生命】图解5.疲劳分析运行结果显示每个位置疲劳失效的载荷安全系数。在本次分析汇总，某个位置的载荷安全系数为2.751×101，表示如果将为静态算例定义的所有载荷乘以2.751×101，定义的疲劳事件将在此位置导致疲劳失效。。3、【载荷因子】图解5.疲劳分析运行结果双轴性指标（BiaxialityRatio，BR）是描述多轴应力状态下应力张量双轴特性的无量纲参数，用于量化应力状态的复杂程度及其对疲劳损伤的影响。4、【双轴向】图解谢谢大家Solidworkssimulation仿真教程本章主要介绍优化分析的方法、优化分析的设置。着重讲解拓扑优化和尺寸优化，分别对两种不同的分析方法进行案例讲解。有限元分析中的优化设计是现代工程设计的核心技术之一，它通过系统化的方法寻求最佳设计方案，在满足各种约束条件下实现性能目标的最优化。优化技术在机械工程领域的应用极为广泛，贯穿产品设计、制造、控制及运维全生命周期。第7章 优化分析7.1优化分析的应用领域Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析7.1优化分析的应用领域（1）结构轻量化设计。应用目标：在保证强度/刚度的前提下减少材料用量。（2）机械系统动力学优化。应用目标：降低振动噪声、提高运动精度。（3）构与传动系统优化。应用目标：提高传动效率、延长寿命。（4）制造工艺优化。应用目标：提升加工质量、降低成本。（5）热管理与流体系统优化。应用目标：控制温升、提高散热效率。（6）机器人及自动化系统优化。应用目标：提升运动效率与精度。（7）可靠性及寿命优化。应用目标：预防疲劳失效、延长服役周期。（8）数字化与智能优化前沿7.2常见的三种优化方法Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析拓扑优化形状优化尺寸优化7.2常见的三种优化方法在工程设计与制造领域，结构优化是提升产品性能、降低成本的关键技术。其中，拓扑优化、形状优化和尺寸优化是最常用的三种方法。分别在不同层次上优化结构，适用于不同的工程需求。本文将详细介绍这三种优化方法的基本原理、数学建模、优化算法及实际应用案例。1.拓扑优化拓扑优化是一种材料分布优化方法，其目标是在给定的设计空间内，确定最优的材料分布方式，以满足特定的性能指标（如刚度最大化、重量最小化）。与传统的经验设计不同，拓扑优化可以生成全新的结构形式，甚至可能超出工程师的直觉预期。该方法的核心思想是：1） 材料重新分配：决定设计域内哪些区域应有材料（实体），哪些区域应无材料（孔洞）。2） 拓扑自由度高：可改变结构的连通性（如增加/减少孔洞数量）。3） 创新构型发现：常产生传统设计方法难以想到的有机形态。1.拓扑优化拓扑优化通常基于有限元分析，其数学模型可表示为：其中：1） 表示该单元为实体材料。2） 表示该单元为空。3） 表示中间密度（需通过惩罚方法驱使其收敛至0或1）。2.形状优化形状优化是在保持拓扑结构不变的前提下，调整结构的几何形状（如曲率、轮廓）以提高性能（如应力分布、流体阻力）。与拓扑优化不同，形状优化不改变结构的连通性。其核心特点包括：1） 边界演化：优化对象是结构的几何轮廓。2） 拓扑不变性：不改变结构的连通性和孔洞数量。3） 参数控制：通常通过有限的设计变量控制形状变化。4） CAD兼容性：结果可直接用于传统制造工艺。2.形状优化形状优化的变量是几何边界，其数学模型为：其中：1） ：结构边界（设计变量）。2） ：允许形状集合。3） ：目标泛函（如应力积分、阻力等）。3.尺寸优化（1）基本概念尺寸优化是在固定拓扑和形状下，优化结构的尺寸参数（如厚度、直径、截面面积），以最小化重量或最大化刚度。这是最传统的结构优化方法，适用于标准化的工程构件。其主要特征包括：1） 参数调整：优化对象是厚度、截面面积等尺寸参数。2） 构型不变性：保持结构的拓扑和基本形状。3） 变量明确：设计变量通常有明确的物理意义。4） 实现简单：计算成本低，易于工程应用。3.尺寸优化（2）数学建模尺寸优化的设计变量是离散或连续的尺寸参数，其模型为：其中：1）

s：尺寸变量向量。2） ：尺寸上下限。7.3优化分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析7.3优化分析属性设置在拓扑求解之前，可以进行拓扑分析的属性设置，如图72所示，比如求解器的选择、保留区域设置、高级设置等操作，使拓扑分析与实际需求更加紧密。7.4SOLIDWOKSSimulation优化命令Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析【目标】选项【约束】选项【制造控制】选项高级导出1.【目标】选项【目标】选项是用于规定拓扑约束的最终目的，软件中提供了3个目标类型功能名称功能作用最佳强度重量比（默认）优化算法会根据给定质量生成具有最大刚度的零部件的形状，将从初始最大设计空间中移除该质量。当选择最佳强度重量比时，该算法旨在最小化模型的全局合规性，其为整体柔性（刚度的倒数）的量度。通过所有元素应变能的总和定义合规性最小化最大位移优化算法会生成能够最小化单一节点上的最大位移的形状（从静态算例中算得）。给定了要从零部件中移除的材料百分比，优化会生成最坚固的设计，重量轻于最初设计，最大限度地减小结构在静态载荷下的最大位移用位移约束最小化质量优化算法将生成一个形状，其重量轻于最大尺寸模型，并且不会违背位移约束的给定目标。该算法旨在降低零部件的质量，同时将位移限制在特定限制下（单一节点处零部件或用户定义的观察到的最大值）2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用质量约束质量减少量（百分比）键入目标质量减少百分比指定零件在优化期间将减少的目标质量。优化算法将尝试通过迭代流程为最终形状实现质量减少目标质量减少量（绝对值）键入要从零件的最大设计空间中移除的质量的精确值位移约束指定值为选定位移变量键入目标值，然后在单位中指定所需单位为选定的位移零部件指定上限。在零部件中，选择所需的位移变量

指定因子键入一个因子，用乘以静态算例中算得的最大位移参考订单选择-自动（最大单点）程序默认选择模型中观察到的最大位移的顶点参考订单选择-用户定义在图形区域中为位移约束选择参考顶点

2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用质量约束质量减少量（百分比）键入目标质量减少百分比指定零件在优化期间将减少的目标质量。优化算法将尝试通过迭代流程为最终形状实现质量减少目标应力/安全系数约束应力约束选择指定值以为优化几何图形输入最大允许von-Mises应力。选择指定百分比以输入最大允许von-Mises应力作为材料屈服强度的百分比施加应力/安全系数约束的核心作用是确保优化后的设计在所有工况下均满足强度要求，防止结构发生屈服或破坏。安全系数约束为优化几何图形输入最小安全系数值。默认失败准则是最大von-Mises应力2.【约束】选项约束选项是用于拓扑约束运算过程中的约束限制，可以从应力、位移、频率等多个角度进行限制功能名称功能作用频率约束模式形状添加模式形状数以在优化过程中强制实施频率约束进行拓扑算例之前，使用原始模型（最大设计空间）运行频率算例以评估允许的自然频率范围比较器值（Hz）选择以下三个选项之一：小于输入频率上限，大于输入频率下限，或为选定模式形状输入允许的频率范围（例如10-20）。为每个模式形状输入以Hz为单位的频率值模式跟踪选中此选项时，优化解算器将跟踪在整个优化迭代过程中实施频率约束时从原始几何图形派生的选定模式形状的顺序。清除模式跟踪时，解算器将跟踪为每个优化迭代所派生的当前模式形状顺序。例如，可以在第一个模式形状上实现50%质量缩减和频率约束的优化目标，原始几何图形的第一个模式形状将成为优化几何图形的第二个或第三个模式形状3.【制造控制】选项优化流程将创建可满足优化目标和任何定义的几何约束的材料布局。但是，不能使用标准制造技术进行设计，如铸造和锻造。应用正确的几何控制可防止形成底部相切切和空心零件。制造限制将确保优化形状可从模具提取，或可通过工具和冲模进行戳记。因此，对需要几何控制的几何体进行制造控制，本系统提供4种制造控制选项名称功能保留区域向模型中添加保留区域，该区域不会在拓扑优化过程中被修改脱模控制添加脱模控制以确保优化设计可制造，且能从模具中提取对称控制对称控制强制将设计优化为关于特定基准面对称。可以对优化设计强制实施二分、四分或八分平面对称厚度控制可以为拓扑优化应用构件大小约束，可禁止创建很厚或很薄的区域，因为这会导致制造困难4.高级导出在优化结束后，可以将优化好的几何结构导出为网格实体、曲面实体、实体、图像等多种格式，满足后续的操作。名称功能图形实体以轻化、边界几何体展示格式导出光顺网格数据。选择此选项，以将图形实体文档导入到的原始零件或装配体文档中，以便可将其用作帮助修改原始零部件几何体的蓝图实体将光顺网格数据导出为实体（*sldprt文件格式）。为3D打印操作选择此选项。此选项需要更长的计算时间才能完成曲面实体仅导出光顺网格数据的曲面几何体（*.STL文件格式）创建以单个面为边界的网格实体将优化形状（如具有光顺网格的材料质量图解中显示的实体或曲面实体）导出至网格BREP实体。网格实体（也称作网格边界展示或网格BREP实体）由网格分面（三角形）构成。对于实体，网格分面将形成闭环边界曲面（也称作水密网格）。对于曲面实体，网格将形成开环曲面BREP。网格BREP实体独立于在Simulation中展示几何体的有限元素模型的网格将分面分组到面将网格分面收集到可选面中。这些网格面被定义为分面集合且不具有参数展示，因此不能修改其尺寸7.5实例：支架拓扑分析Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析创建分析系统材料设置边界条件和载荷设置目标、约束和制造控制后处理及结果分析1.创建分析系统单击①【材料质量】可以观察到拓扑优化后的几何模型在【制造控制】限制的区域之外是可以进行优化的区域。在优化区域内，材料按照应力值的大小，从大到小依次删除。这样得到最优的、符合应力均匀分布的几何结构。在本次分析中，主要对A区域即中间的支撑板和B区域上部的承载板进行拓扑优化1.创建分析系统在【材料质量1】菜单上单击右键鼠标，单击③【编辑定义】，在弹出的对话框中可以单击④【材料质量】选项，通过左右滑动调节滑块来显示支架材料的多少，单击⑤【计算光顺网格】1.创建分析系统在【材料质量1】菜单上单击右键鼠标，单击③【编辑定义】，在弹出的对话框中可以单击④【材料质量】选项，通过左右滑动调节滑块来显示支架材料的多少，单击⑤【计算光顺网格】1.创建分析系统对于优化后的模型，可以通过选项⑥【导出光顺网格】，可以选择⑦【高级导出】选项，将网格导出为“图形实体”、“实体”和“曲面实体”三种类别，如图8-13所示。7.6实例：尺寸优化分析Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析创建分析系统模型设置后处理及结果分析1.创建分析系统静应力分析的流程前述章节已经进行详细的介绍，本节不做过多解释。只对边界条件、载荷和结果进行讨论。将支架的材料设置为普通碳钢，对四个支架的轴孔施加固定约束，在上端面上施加1000N的轴向力1.创建分析系统在该结构尺寸下，von-Mises最大应力为207