solidworks Simulation理论基础.ppt

1、Chapter 1 Background and Theory,1,Simulation有限元分析,理论基础,长沙凯士达信息技术有限公司 CAE工程师 谢莉,Chapter 1 Background and Theory,2,概要,Simulation产品线及公司介绍 什麽是FEA? 历史背景 FEA在设计中的作用 有限元理论 定义 一般过程 强度理论,Chapter 1 Background and Theory,3,Simulation 产品线-面向所有用户的协同仿真,Simulation 机械设计验证,Flow Simulation 计算流体动力学,Motion 运动仿真,Chapter

2、 1 Background and Theory,4,SolidWorks 设计仿真产品线,Chapter 1 Background and Theory,5,COSMOS更名,SolidWorks Simulation 产品线的新名称,Chapter 1 Background and Theory,6,Simulation 发展历程,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,第一个 SolidWorks 黄金合作伙伴,发布 Simulation 2005,被 Dassault Syst

3、emes 收购,发布COSMOS2007,2002,2004,2001,发布SW&Premium,发布Simulation 2006,2005,2006,COSMOSMotion 加入SW&Premium,2007,发布COSMOS2008,2008,更名为Simulation,Chapter 1 Background and Theory,7,许多人并不需要 FEA,当时间，费用，重量无需考虑时,Chapter 1 Background and Theory,8,什么是 FEA?,解析方法虽然简单但很难满足许多工程设计的需要,FEA 将复杂的几何模型离散分解成许多 简单的小块,FEA: Fi

4、nite Element Analysis FEM: Finite Element Method FEA/FEM 称为有限单元分析/方法,Chapter 1 Background and Theory,9,历史背景基于计算机的结构分析,在 1943, Richard Courant 建议将连续介质的物体划分为三角形的小块 1953年, 绗架结构分析在数字计算机上首次完成. 1960年, “有限单元法” 的名字由Ray Clough首次提出 在70年代末80年代初，分析评估在微机和工作站上实现 花费少 容易组织 但过程麻烦: 设计人员产生模型并把他们交给分析人员. 分析人员导入分析模型,进行分析

5、,并给出分析结果 根据分析结果更改设计等,Chapter 1 Background and Theory,10,历史背景基于计算机的结构分析,80年代中期进入PC时代: 分析的采用在一定程度上提高了效率 90年代中期进入Windows时代 花费低 设计人员已把分析作为设计中不可分割的一部分 更复杂和更大的装配体模型也可进行分析 CAD 和 FEA集成的改善 自动优化处理 更快的速度和精度 分析的未来: 更高效的工程部门 更安全的产品 更短的产品投放市场时间,Chapter 1 Background and Theory,11,FEA 在工业中,CAD 和 FEA 的结合使得在实际工作中使用FE

6、A方便简单 在设计中使用FEA可以大大减少 (但不是替代) 物理样机和试验 通过使用 FEA, 设计可以更优,减少重量体积并且提高可靠性,Chapter 1 Background and Theory,12,FEA 在工业中,FEA 并不只强调自己 FEA 要在设计中发挥作用离不开 物理样机的实验,Chapter 1 Background and Theory,13,当有零部件破坏时,物理实验 金相检查 各种仪器 (昂贵) 检测 重新设计重新试验,FEA 了解到各种工况数据 看到失效形式 找到危险和没危险的零部件,我们试了又试但仍不知道它为什麽会坏,Chapter 1 Background a

7、nd Theory,14,把事情做好,传统的方式 按比例试验 样机 重新设计重新试验,FEA 了解各种参数影响 没有材料消耗 测试各种极端情况下和无法作试验的结果 鉴别各种可能的趋势 优化处理,Chapter 1 Background and Theory,15,有限元术语,Chapter 1 Background and Theory,16,有限元网格,一个离散化的模型 代表实际三维物体 有限元模型由单元和节点构成,对单元位移有一个简化的假设形式 位移的连续性在节点处被保证,Chapter 1 Background and Theory,17,单元/节点定义,应力应变在每个单元中被计算 力和

8、位移在每个节点被计算 单元通过节点相互作用 单元可分为两大类 连续介质(实体) 结构 (梁、壳),Chapter 1 Background and Theory,18,有限单元,COMOSWorks用四面体实体单元划分实体几何体，用三角形壳单元划分几何面。 实体四面体单元,二阶,Chapter 1 Background and Theory,19,Chapter 1 Background and Theory,20,有限单元,壳单元,一阶,二阶,Chapter 1 Background and Theory,21,Chapter 1 Background and Theory,22,有限单元,

9、横梁单元,Chapter 1 Background and Theory,23,在FEA中使用直接位移法求解,位移被假设是未知的 每个节点有六个可能的位移自由度 (DOF), 即：ux, uy, uz, qx, qy, qz 根据单元类型不同，每个节点的自由度情况也不同 在2D中的连续单元仅有 ux 和 uy 在2D中的结构单元仅有 ux, uy,和qz 在3D中的连续单元仅有 ux, uy和 uz 在3D中的结构单元有 所有六个自由度 所有存在的自由度都对应有相应的力和矩,Chapter 1 Background and Theory,24,实体单元各节点：3个自由度 壳单元各节点：6个自由

10、度 梁单元各节点：6个自由度,Chapter 1 Background and Theory,25,结构分析基础,平衡方程,变形协调方程,应力应变关系（虎克定律）,Chapter 1 Background and Theory,26,平衡方程,施加在一个单元上的外力之和为零,Chapter 1 Background and Theory,27,变形协调方程,单元节点位移和单元应变的关系 节点力和单元应力亦如此,ei = B u,Chapter 1 Background and Theory,28,应力应变关系,又称为物理方程 定义应力 (s) 和应变 (e)关系,在该关系方程中 C 是一个 6

11、 X 6 的矩阵 s = Ce,Chapter 1 Background and Theory,29,边界条件,在有限元分析中的边界条件代表 实际物理模型和它周边物体之间的相互作用关系,分析整个系统在很多时候既不实际也没必要,通过使用边界条件一个系统级的分析, 可以简化成对一个零部件级的分析,Chapter 1 Background and Theory,30,边界条件,自由物体有六个自由度（ RIGID BODY MODES） 一个 (RBM) 是一个可能的运动 ，存在有可能的运动 的方向不能有变形,自由物体有三个移动自由度 和三个转动自由度,Chapter 1 Background and

12、 Theory,31,边界条件,约束应按以下原则施加: 约束条件忠实地反映实际工况 刚体六个运动自由度必须被约束掉,Chapter 1 Background and Theory,32,各种约束条件的实例,FEA 等效约束种类如下所述,悬臂梁约束（固定） 导槽约束 轮廓约束 铰链约束 球铰约束,Chapter 1 Background and Theory,33,边界条件,所有的移动和转动都被约束,悬臂梁约束（固定约束）,仅有一个移动自由度,导槽约束,Chapter 1 Background and Theory,34,边界条件,所有的转动被约束仅允许一个 移动自由度,轮廓约束,所有的移动被约

13、束仅允许一个转动自由度,铰链约束,Chapter 1 Background and Theory,35,边界条件,所有移动被消除, 所有转动被允许,球铰约束,Chapter 1 Background and Theory,36,载荷,施加在物体外表面的力 称为外力 如集中力和压力 施加在物体内部的力 称为体力 如重力，离心力，温度应力,Chapter 1 Background and Theory,37,有限元分析概述,有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 FEA分析的基本步骤

14、： 预处理：定义分析类型、添加材料属性、施加载荷和约 束、网格划 求解：计算结果 后处理：分析结果,Chapter 1 Background and Theory,38,有限元分析过程,产生几何模型,划分单元,确定分析类型,添加材质属性,加约束,加载荷,解线性方程组 u,建立系统线性方程组,Pre-,Analysis,生成系统刚度矩阵【K】,计算,产生单元刚度矩阵,u,f,Chapter 1 Background and Theory,39,有限元分析过程,获得每个单元的单元应变,计算单元应力,显示结果,Post-,获取每个节点位移,Chapter 1 Background and Theor

15、y,40,建立数学模型,对CAD几何模型进行修改以满足网格划分的要求（正确的、适度少的有限单元） 方法 特征消隐 理想化 清除 确定分析类型、材料属性、载荷、支撑和约束。,Chapter 1 Background and Theory,41,建立有限元模型 网格划分：通过离散化过程，将数学模型分成有限单元。 求解有限元模型 结果分析,Chapter 1 Background and Theory,42,有限元分析过程,Chapter 1 Background and Theory,43,强度理论,第一强度理论（最大法向应力理论） P1：第一主应力 主应力：切应力为零的平面上的正应力。 一般适用于脆性材料，如铸铁、陶瓷、工具钢等 第二强度理论（最大伸长线应变理论） P1-u(P2+P3) 合金铸铁、低温回火的高强度钢和石料等 第三强度理论（最大切应力理论） 最大抗剪应力max=(P1-P3)/2,Chapter 1 Background and Theory,44,强度理论,第四强度理论形状改变比能理论 Von Mises应力,Chapter 1 Background and Theory,45,主应力1 、2、 3（剪应力为零） 设计检查图解 安全系数= 不同材料不同情况下公式中的极限应力都不同，根据需要来选择,Chapter 1 Backgrou