第6章Simulation有限元分析.docx
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第6章Simulation有限元分析
目录
第六章Simulation有限元分析2
6.1Simulation基础知识2
6.1.1有限元法概述2
6.1.2Simulation概述2
6.1.3Simulation使用指导4
6.1.4Simulation有限元分析的一般步骤8
6.2SimulationXPress应力分析10
6.3Simulation结构有限元分析17
6.3.1轴静态分析17
6.3.2夹钳装配体静态分析44
6.4Simulation优化分析62
6.4.1优化设计概述62
6.4.2优化设计基础知识62
6.4.3轴的优化分析63
6.5小结74
第六章Simulation有限元分析
在制造业中，为了缩短产品设计周期，提高产品质量，广泛采用计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering,CAE），机械设计已逐渐实现了由静态、线性分析向动态、非线性分析的过渡，由经验类比向最优设计的过渡。
CAE在产品开发研制中显示出了无与伦比的优越性，使其成为现代企业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件，因而越来越受到科技界和工程界的重视。
在CAE技术中，有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEA）是应用最为广泛、最为成功的一种数值分析方法。
SolidWorksSimulation即是一款基于有限元（即FEA数值）技术的分析软件，通过与SolidWorks的无缝集成，在工程实践中发挥了愈来愈大的作用。
6.1Simulation基础知识
6.1.1有限元法概述
有限元法（FiniteElementMethod，FEM）是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
有限元法的基本思路可以归结为：
“化整为零，积零为整”。
它将求解域看成是由有限个称为单元的互连子域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导出求解这个总域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能够适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段，甚至成为CAE的代名词。
在机械工程中，有限元法已经作为一种常用的方法被广泛使用。
凡是计算零部件的应力、变形和进行动态响应计算及稳定性分析等都可用有限元法。
如进行齿轮、轴、滚动轴承及箱体的应力、变形计算和动态响应计算，分析滑动轴承中的润滑问题，焊接中残余应力及金属成型中的变形分析等。
6.1.2Simulation概述
Simulation是SolidWorks公司的黄金合作伙伴之一SRAC（StructuralResearch&AnalysisCorporation）公司推出的一套功能强大的有限元分析软件。
SRAC成立于1982年，是将有限元分析带入微型电脑上的典范。
1995年，SRAC公司与SolidWorks公司合作开发了COSMOSWorks软件，从而进入工程界主流有限元分析软件的市场，并成为SolidWorks公司的金牌产品之一。
它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成，成为了顶级销量产品。
2001年，整合了SolidWorksCAD软件的COSMOSWorks软件在商业上所取得的成功使其获得了DassaultSystems（达索公司，SolidWorks的母公司）的认可。
2003年，SRAC与SolidWorks公司合并。
COSMOSWorks的09版更名为SolidWorksSimulation。
Simulation与SolidWorks全面集成，从一开始，就是专为Windows操作系统开发的，因而具有许多与SolidWorks一样的优点，如功能强大，易学易用。
运用Simulation，普通的工程师就可以进行工程分析，并可以迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。
其基本模块能够提供广泛的分析工具来检验和分析复杂零件和装配体，它能够进行应力分析、应变分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析等。
Simulation有不同的软件包以适应不同用户的需求。
除了SolidWorksSimulationXpress程序包是SolidWorks的集成部分外，其他所有的Simulation软件程序包都是插件形式的。
不同程序包的主要功能如下：
1.SolidWorksSimulationXpress
能对带有简单载荷和支撑的零件进行静态分析，只有在Simulation插件未启动时才能使用。
2.SolidWorksSimulation
能对零件和装配体进行静力分析。
Simulation是专门为那些非设计验证领域专业人士的设计师和工程师量身定做的，该软件可以在SolidWorks模型制造之前指明其运行特性，从而保证产品质量。
Simulation完全嵌入在SolidWorks界面中，因此任何能够运用SolidWorks设计零件的人都可以对零件进行分析。
使用Simulation可以实现以下功能：
∙轻松快速地比较备选设计方案，从而选择最佳方案。
∙研究不同装配体零件之间的交互作用。
∙模拟真实运行条件，以查看模型如何处理应力、应变和位移。
∙使用简化验证过程的自动化工具，节省在细节方面所花费的时间。
∙使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果。
∙与参与产品开发过程的所有人员协作并分享结果。
3.SolidWorksSimulationProfessional
能进行零件和装配体的静态、热力、扭曲、频率、掉落测试、优化和疲劳分析。
使用SimulationProfessional可以实现以下功能：
∙分析运动零件和接触零件在装配体内的行为。
∙执行掉落测试分析。
∙优化模型以满足预先指定的设计指标。
∙确定设计是否会因扭曲或振动而出现故障。
∙减少因制造物理原型而造成的成本和时间延误。
∙找出潜在的设计缺陷，并在设计过程中尽早纠正。
∙解决复杂的热力模拟问题。
∙分析设计中因循环载荷产生的疲劳而导致的故障。
4.SolidWorksSimulationPremium
除包含有SimulationProfessional的全部功能外，还能进行非线性和动力学分析。
它为经验丰富的分析员提供了多种设计验证功能，以应对棘手的工程问题，例如非线性分析等。
使用SimulationPremium可以实现以下如下功能：
∙对塑料、橡胶、聚合物和泡沫执行非线性分析。
∙对非线性材料间的接触进行分析。
∙研究设计在动态载荷下的性能。
∙了解复合材料的特性。
6.1.3Simulation使用指导
1.启动Simulation插件
如果已正确安装Simulation，但在SolidWorks的菜单栏中没有Simulation菜单，可选择菜单栏【工具】→【插件】命令或单击【选项】按钮右边的倒三角并选择【插件】命令。
系统弹出【插件】对话框，在对话框中勾选【SolidWorksSimulation】选项，如图6-1所示。
菜单栏中即可显示【Simulation】菜单，同时在常用工具栏中也会出现【Simulation】菜单，SolidWorksSimulation的界面如图6-2所示。
图6-1启动Simulation插件
图6-2Simulation界面
注意：
如果只勾选了【Simulation】选项前面的方框，则当重新启动SolidWorks时，需要按上面的步骤重新操作才能在菜单栏中显示【Simulation】菜单；如果同时勾选了【SolidWorksSimulation】选项后面的方框，则Simulation会随着SolidWorks一起启动，Simulation菜单会自动出现在菜单栏中。
2.SolidWorksSimulation选项
选择菜单栏【Simulation】→【选项】命令，系统弹出【系统选项】对话框。
用户可以在此定义分析中使用的标准。
该对话框有两个选项，即【系统选项】和【默认选项】。
图6-3Simulation系统选项
●系统选项
系统选项面向所有算例，包含出错信息、夹具符号、网格颜色、结果图解、字体设置和默认数据库的存放位置等，如图6-3所示。
●默认选项
默认选项只针对当前建立的算例。
在此，可以设置单位、载荷/夹具、网格、结果、图解和报告等。
以【图解】设置为例，静态分析之后，Simulation会自动生成三个结果图解：
应力1、位移1和应变1。
用户可以通过【图解】设置自动生成哪些结果图解及显示格式，并且可以通过右击算例结果项添加新图解，如图6-4所示。
图6-4Simulation默认选项
3.SolidWorksSimulation中的单元类型
SolidWorksSimulation用四面体实体单元划分实体几何体，而用三角形壳单元划分几何面。
与此对应，Simulation中有四种单元类型：
一阶实体四面体单元、二阶实体四面体单元、一阶三角形壳单元和二阶三角形壳单元。
在SolidWorksSimulation中，称一阶单元为【草稿品质】单元，二阶单元为【高品质】单元。
由于二阶单元具有较好的绘图能力和模拟能力，推荐用户对最终结果和具有曲面几何体的模型使用高品质选项，并且Simulation默认选择即为高品质。
在进行快速评估时可以使用草稿品质网格化，以缩短运算时间。
4.等效应力（也称为vonMises应力）
由材料力学可知，反映应力状态的微元体上剪应力等于零的平面，定义为主平面。
主平面的正应力定义为主应力。
受力构件内任一点，均存在三个互相垂直的主平面。
三个主应力用σl、σ2和σ3表示，且按代数值排列即σl>σ2>σ3。
vonMises应力可以表示为：
在Simulation中，主应力被记为P1、P2和P3，如图6-5所示。
在大多数情况下，使用vonMises应力作为应力度量。
因为vonMises应力可以很好地描述许多工程材料的结构安全弹塑性性质。
P1应力通常是拉应力，用来评估脆性材料零件的应力结果。
对于脆性材料，P1应力较VonMises应力更恰当地评估其安全性。
P3应力通常用来评估压应力或接触压力。
图6-5主应力图解
Simulation程序使用vonMises屈服准则计算不同点处的安全系数，该标准规定当等效应力达到材料的屈服力时，材料开始屈服。
程序通过在任意点处将屈服力除以vonMises应力而计算该处的安全系数。
安全系数值的解释：
∙某位置的安全系数小于1.0表示此位置的材料已屈服，设计不安全。
∙某位置的安全系数等于1.0表示此位置的材料刚开始屈服。
∙某位置的安全系数大于1.0表示此位置的材料没有屈服。
6.1.4Simulation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，有限元求解法的基本步骤是相同的，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想
●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。
对于小的概念，并不是指它的单元尺寸，而是表示网格中单元的数量。
对网格的这种要求，有着极其重要的含义。
必须保证CAD几何模型的网格划分，并且通过所产生的网格能得到正确的数据，如位移、应力、温度分布等。
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：
∙特征消隐
特征消隐指合并或消除分析中认为不重要的几何特征，如外倒角、圆边、标志等。
∙理想化
理想化是更具有积极意义的工作，它也许偏离了CAD几何模型的原貌，如将一个薄壁模型用一个面来代替。
∙清除
清除有时是必须的，因为可划分网格的几何模型必须满足比实体建模更高的要求。
可以使用CAD质量控制工具来检查问题所在。
例如，CAD模型中的细长面（即长比宽大得很多的面，好像是一条线的面）或多重实体（即多个实体），会造成网格划分困难甚至无法划分网格。
通常情况下，对能够进行正确网格划分的模型采取简化，是为了避免由于网格过多而导致分析过程太慢。
修改几何模型是为了简化网格从而缩短计算时间。
成功的网格划分不仅依赖于几何模型的质量，而且还依赖于用户对FEA软件网格划分技术的熟练使用。
●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，这一过程称为网格划分。
离散化在视觉上是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。
●求解有限元模型
创建了有限元模型后，使用Simulation的求解器来得出一些感兴趣的数据。
●结果分析
总的来说，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。
创建数学模型和离散化成有限元模型会产生不可避免的误差：
形成数学模型会导致建模误差，即理想化误差；离散数学模型会带来离散误差；求解过程会产生数值误差。
在这三种误差中，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，所幸的是它们通常都很小；只有离散化误差是FEA特有的，也就是说，只有离散化误差能够在使用FEA时被控制。
简言之，有限元分析可分为三个阶段：
前处理、求解和后处理。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；求解是计算基本未知量；后处理则是采集处理分析结果，方便用户提取信息，了解计算结果。
2.Simulation使用步骤
以上介绍了Simulation有限元分析的基本思想，在实际应用Simulation进行分析时，一般遵循以下步骤：
（1）创建算例
对模型的每次分析都是一个算例，一个模型可以有多个算例。
（2）应用材料
向模型添加包含物理信息（如屈服强度）的材料。
（3）添加约束
模拟真实的模型装夹方式，对模型添加夹具（约束）。
（4）施加载荷
载荷反映了作用在模型上的力。
（5）划分网格
模型被细分为有限个单元。
（6）运行分析
求解计算模型中的位移、应变和应力。
（7）分析结果
分析解释计算所得数据。
6.2SimulationXPress应力分析
SolidWorksSimulationXpress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可帮助用户减少昂贵费时的实地测试，降低成本及减少投入市场的时间。
SimulationXpress支持对单实体的分析；对于多实体零件，可一次分析一个实体；对于装配体，可一次分析一个实体的物理模拟效应；不支持曲面实体。
SimulationXpress的向导界面将引导用户完成分析，其中优化分析是可选项。
图6-6“轴”模型
本节以一个简单的“轴”模型为例说明使用SimulationXPress进行分析的基本操作，好让用户对通过SolidWorks进行有限元分析有一个初步的印象，模型如图6-6所示。
选择菜单栏【工具】/【SimulationXPress】命令，向导启动SimulationXPress，界面如图6-7所示。
图6-7SimulationXPress向导界面
分析之前，可以设置单位系统和分析结果的保存位置。
单击【欢迎】选项卡中的【选项】，在【单位系统】中设置单位，在【结果位置】中键入文件夹位置或单击以浏览至所要的文件夹，然后单击【确定】。
如有必要，选择【在应力图解中为最大和最小值显示注解】复选项。
【欢迎】选项卡上将会出现选中复选符号，如图6-8所示。
图6-8SimulationXPress选项设置
●应用材料
可以在使用SimulationXpress时赋予材质，也可以在建模时直接将材料指定给零件。
如果SimulationXpress材料库中没有所需的材料，先退出SimulationXpress，在SolidWorks中指定材料后重新开启SimulationXpress，【材质】选项卡上将会出现选中复选符号，如图6-9所示。
图6-9应用材料
●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。
在图形区域中，单击要约束的面，如图6-10所示。
单击【下一步】，【约束】选项卡上将会出现选中复选符号，并出现夹具列表，可以单击适当按钮以添加、编辑或删除夹具。
图6-10添加约束
●施加载荷
在【载荷】选项卡中，可以选择力或压力载荷类型。
以【力】为例，在图形区域中，单击需要加载荷的面，然后单击【下一步】。
有两个单选项：
∙与每个所选面正交。
在垂直于每个所选面的方向应用力。
∙与参考基准面正交。
在垂直于所选的参考基准面方向应用力。
如果选择此选项，则必须在FeatureManager设计树中选择一个参考平面。
所指定力的数值将应用至每个面。
例如，如果选择3个面并指定50N的力，程序总共会应用150N的力（每个面50N）。
如需改变力的方向，勾选【反转方向】，如图6-11所示。
单击【下一步】，【载荷】选项卡上将会出现选中复选符号，列表框将会列出所定义的力，可以单击适当按钮以添加，编辑或删除力。
图6-11施加载荷
●运行分析
【分析】选项卡中有两个单选项，如图6-12所示。
∙是（推荐）。
按默认网格设置（默认单元大小和公差值）
∙不，我想更改设定。
按更改的网格设置。
如果选择更改默认设置，需输入所需值或拖动滑块调节。
默认公差为指定单元大小的5%，然后单击【下一步】。
在新的界面上单击【运行】，开始进行应力分析，分析完成后向导自动切换到【结果】选项卡，如图6-13所示。
图6-12【分析】选项卡
图6-13【结果】选项卡
●优化零件
完成了应力分析后，如有必要可以进行优化分析。
在【结果】选项卡中单击【下一步】，在询问框中选择【是】，然后再单击【下一步】。
选择优化准则，输入目标值，如图6-14所示，单击【下一步】。
图6-14选择优化准则
选择想优化的尺寸（设计变量）并键入下界值（尺寸可允许的最小值）和上界值（尺寸所允许的最大值），如图6-15所示。
优化过程中可能会弹出窗口，警告违背了指定的约束，结果会偏离指定的值。
当优化完成时，【优化】选项卡上将会出现选中复选符号。
通过单击【设定】可以在初始设计和最终设计中切换，以观察比较优化前后的模型，单击【动画】中的【播放】可以动态的显示优化过程，如图6-16所示。
图6-15选择设计变量
图6-16完成优化
●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。
【结果】选项卡上的选中符号表示结果存在，并且可以查看当前的材料、夹具及载荷。
当现有结果不属于当前材料、夹具或载荷时，SimulationXpress窗口左下角会出现【更新】按钮。
单击即会重新分析模型并计算新结果。
可以在图6-17所示的界面中选择一种图解类型，单击【下一步】，图形显示区即会显示相应的图解，如图6-18所示。
同时在新界面中，可以选择播放或保存动画，如图6-19所示。
也可以生成HTML报告或eDrawings文件。
图6-17选择结果类型
图6-18应力图解
图6-19动画操作
从操作过程可以看出，SimulationXpress操作简单，能进行初步的应力分析，但功能有限，使用中有局限性。
SolidWorksSimulation可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。
6.3Simulation结构有限元分析
6.3.1轴静态分析
本节同样以“轴”模型为例，来详细说明使用Simulation进行零件静态分析的基本操作，模型如图6-6所示。
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。
完成本节的内容后，用户可以进一步探索Simulation的其他功能。
1.建立算例
算例是由一系列参数定义的，这些参数完整的表述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求运行不同类型的分析。
一个算例的完整定义包括以下几方面：
分析类型、材料、负荷、约束、网格。
在SolidWorks中打开已有的“轴”模型，如图6-6所示。
新算例可以由以下两种方法创建：
●直接创建一个新的算例
单击常用Simulation工具栏上【算例】
下拉菜单中的【新算例】按钮，系统弹出【算例】属性管理器，在【名称】输入框中自动生成“算例1”名称，采用默认的名称。
在【类型】选项下单击【静态】按钮
，然后单击【确定】按钮
完成新算例的创建，如图6-20所示。
当定义了一个算例，SolidWorksSimulation会自动创建一个算例文件夹和几个图标以及【算例1】标签页。
这几个图标其实是文件夹的形式，如图6-21所示。
【实体】文件夹用来定义和指定材料属性，【夹具】文件夹用来定义约束，【网格】文件夹用来划分有限元网格。
分析完成以后，还会创建【结果】文件夹和【报告】文件夹。
图6-20【算例】属性管理器图6-21SimulationStudy树
●复制已有算例
右击想要复制的算例标签页，在快捷菜单中选择复制。
此时，系统弹出【定义算例名称】对话框，将算例重命名并选择所需的配置，如图6-22所示，单击【确定】完成新算例的创建。
这种方法在本质上是复制一个完全相同的算例并粘贴到一个空白算例中。
图6-22【定义算例名称】对话框
当在【算例1】及其下的几个文件夹图标上右击时，均有【复制】命令，这说明不仅可以复制算例，而且可以从已有的算例中复制材料、夹具、外部载荷等。
这要比在新算例中重新定义方便的多，也可以直接将欲复制的参数用鼠标拖动到新算例的标签页中。
2.应用材料
在运行一个算例前，必需先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。
单击常用Simulation工具栏中【应用材料】按钮
，或在左侧SimulationStudy树中算例1下的“轴”上右击鼠标，在弹出的快捷菜单中选择【应用/编辑材料】命令，如图6-23所示。
系统弹出【材料】对话框，如图6-24所示。
有三种方法选择材料来源：
∙使用SolidWorks材质：
Simulation将使用在SolidWorks中分配给零件的材料。
∙自定义：
允许手工输入材料属性。
∙自库文件：
库文件可以来自Simulationmaterials或自定义的材料库。
图6-23选择【应用/编辑材料】命令
图6-24【材料】对话框
库文件包含了非常丰富的材料，一般情况下，可以在库文件中找到所需的材质。
但如果材质库中没有所需的材料，用户可以自定义材质。
在选中【自定义】单选项的情况下，用户可以
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