基于Solidworks的吸振器有限元分析张磊.docx

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基于Solidworks的吸振器有限元分析张磊

基于SolidWorks的吸振器的有限元分析

张磊（2011200205）

1有限元简介

1.1SolidWorksSimulation概述

SolidWorksSimulation是一款基于有限元（即FEA数值）技术的设计分析软件，是SRAC开发的工程分析软件产品之一。

SRAC是SolidWorks公司的子公司，成立于1982年，是将有限元分析带入微型电脑的先驱。

1995年，SRAC开始与SolidWorks公司合作开发了COSMOSWorks软件，从而进入了工程界主流有限元分析软件的市场，成为了SolidWorks公司的金牌产品之一。

同时它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成，迅速成为顶级销售产品。

整合了SolidWorksCAD软件的COSMOSWorks软件在商业上取得了成功，并与2001年获得了DassaultSystemes（SolidWorks母公司）的认可。

2003年，SRAC公司与SolidWorks公司合并。

COSMOSWorks推出的2009版被重命名为SolidWorksSimulation。

SolidWorks是一款基于特征的参数化CAD系统软件。

和许多最初在UNIX环境中开发，后来才向Windows操作系统开放的CAD系统不同，SolidWorks与SolidWorksSimulation在一开始就是专为Windows操作系统开发的，所以相互整合是完全可行的。

1.2有限元分析概述

在数学术语中，FEA也称之为有限单元法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。

这种类型的问题涉及许多工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体动力学等。

在工程机械中，有限元分析被广泛的应用在结构、振动和传热问题上。

作为一个强有力的工程分析工具，FEA可以解决从简单到复杂的各种问题。

一方面，设计工程师使用FEA在产品研发过程中分析设计改进，由于时间和可用的产品数据的限制，需要对所分析的模型作许多简化。

另一方面，专家们使用FEA来解决一些非常深奥的问题，如车辆碰撞动力学、金属成形和生物结构分析。

应用FEA软件分析问题时，有以下三个基本步骤：

1）预处理：

定义分析类型（静态、热传导、频率等），添加材料属性，施加载荷和约束，网格划分。

2）求解：

计算所需结果。

3）后处理：

分析结果。

在应用SolidWorksSimulation时，也遵循以上三个步骤。

通过对FEA方法的了解，列出下列步骤：

1）建立数学模型。

2）建立有限元模型。

3）求解有限元模型。

4）结果分析。

2建立吸振器的模型

该微型吸振器是由一冲击管、冲击活塞、夹钳以及一个螺旋状的弹簧组成的。

用SolidWorks分别建立的冲击管、冲击活塞、夹钳和弹簧的模型，分别如下列图形所示：

图1冲击管的Solidworks模型

图2冲击活塞的Solidworks模型

图3夹钳的Solidworks模型

图4弹簧的Solidworks模型

将上述四个零件进行装配可以得该微型吸振器的装配体，其模型如图5所示：

图5吸振器的Solidworks模型

3吸振器的有限元分析

研究吸振器在承受3N压力时，压环所产生的应力分布情况。

研究者采用弹簧刚度255.7N/m。

这个结果在本分析中用来设定一个弹簧接头。

由于螺旋弹簧中的应力情况并不是研究者所关心的，因此可以将弹簧从模型中去掉，取而代之的是等效的弹簧接头。

计算吸振器零部件在3N载荷下的最大应力和位移。

分析的操作步骤如下：

步骤1打开装配体

打开前面所绘制的吸振器的装配体文件，【压缩】螺旋弹簧（即FrontSpring零件）。

如图6所示：

图6压缩弹簧后的装配体图

步骤2设定SolidWorksSimulation选项

设定全局【系统单位】为【公制（I）（MKS）】，【长度】单位为【毫米】，【应力】单位为【

】。

步骤3创建算例

创建一个名为“shockassembly”的静态算例。

步骤4指定材料

对所有零部件指定材料合金钢。

步骤5添加夹具

在ShockTube的眼状柱面施加一个【固定几何体】夹具。

该夹具可以完全约束零部件ShockTube（冲击管），如图7所示。

图7冲击管夹具

步骤6约束ShockPluger（冲击活塞）

选择零件ShockPluger的圆柱面，在径向和周向应用一个【高级夹具】。

约束类型选择【在圆柱面上】。

如图8所示。

添加完这三个约束之后，装配体模型只剩下一个自由度的刚体运动。

ShockPluger可以在ShockTube中滑入和滑出，因为他们是分离的。

可以通过弹簧接头来连接这两个零件。

图8冲击活塞夹具

步骤7定义弹簧接头

右键单击【连结】，并选择【弹簧】。

在类型中选择【压缩与延伸】和【平坦平行面】选项。

在零件ShockTube中指定所选面为【零部件1的平面】，ShockPluger的面为【零部件2的平行面】。

在【选项】下选择【总和】刚度选项，并在【正常刚度】栏输入【255.7】N/m，如图9所示。

这样便将ShockTube和ShockPluger连接在一起了。

单击【确定】。

图9定义弹簧接头

步骤8对零件ShockPluger施加力

在ShockPluger耳朵部分圆柱面的分割面上沿杆的方向添加3N的载荷。

该载荷沿Plane1的法向，如图10所示。

图10冲击活塞受力

步骤9应用网格控制

对预期出现高应力的ShockPluger圆角面应用网格控制，定义局部【单元大小】为0.5mm，默认【比率】为1.5，如图11所示。

图11应用网格控制的位置

步骤10划分网格

使用【高】品质单元划分网格，指定【整体大小】为1mm，【公差】为0.05mm。

网格划分参数设定如图12所示，划分结果如图13所示。

图12网格划分参数设定图13网格划分结果

步骤11运行分析

运行分析，注意到求解器发出有关大位移的警告信息。

单击【否】，分析会继续直到完成。

步骤12图解显示vonMises应力

吸振器的VonMises应力分布图如图14所示。

图14vonMises应力分布图

从应力图可以看出，最大应力2468896.0

（即2.468896MPa）远远低于材料合金钢的屈服极限（620MPa）。

步骤13图解显示位移

图解显示【UZ:

Z位移】并选择【真实比例】选项，得到其位移分布图，如图15所示。

图15位移分布图

从位移分布图可以看出最大位移为11.73mm，与线性弹簧方程式的计算结果

一致。

步骤14图解显示应变

吸振器的应变图解如图16所示。

图16应变分布图

步骤15生成报告

在【Simulation】选项下选择【报告】，设定相应参数，可以得到有关该项目分析的一些详细情况，详见附录一。

步骤16保存结果并关闭所有打开的文件

4小结

本文运用SolidWorks对一微型吸振器进行建模，并运用SolidWorksSimulation对其应力、应变以及位移进行了分析。

在3N的外力作用下，应用弹簧接头技术对弹簧进行等效，分析弹簧的刚度，从仿真结果可以看出弹簧的刚度满足要求。

附录一吸振器装配体

作者:

张磊（2011200205）

公司:

安徽理工大学机械工程学院

注意:

不要将您的设计决定仅基于此报告所提送的数据。

请结合试验数据和实际经验来使用此信息。

必须进行现场测试才能核准您的最终设计。

Simulation通过减少而不完全消除现场测试来帮助您减少投入市场的时间。

内容

1封页

2模型信息

3算例属性

4材料属性

5载荷和约束

6接头定义

7接触

8算例结果

模型信息

文档名称

配置

文档路径

修改日期

吸振器装配体

Default

E:

\学习\吸振器装配体.SLDASM

MonApr1610:

50:

122012

FrontShockClamp-1

Default

F:

\SolidWorksSimulation\Lesson5\Exercises\ShockAbsorber\FrontShockClamp.prt

SunApr15

19:

28:

462012

ShockPlunger-1

Default

F:

\SolidWorksSimulation\Lesson5\Exercises\ShockAbsorber\ShockPlunger.PRT

SunApr1515:

49:

362012

ShockTube-1

Default

F:

\SolidWorksSimulation\Lesson5\Exercises\ShockAbsorber\ShockTube.PRT

SunApr1514:

49:

222012

FrontSpring-1

Default

F:

\SolidWorksSimulation\Lesson5\Exercises\ShockAbsorber\FrontSpring.PRT

SunApr1517:

02:

382012

算例属性

算例名称

shockassembly

分析类型

Static

网格类型:

实体网格

解算器类型

FFEPlus

平面内效果:

关闭

软弹簧:

关闭

惯性卸除:

关闭

热力效果:

输入温度

零应变温度

298.000000

单位

Kelvin

包括SolidWorksFlowSimulation中的液压效应

关闭

摩擦:

关闭

为表面接触忽略间隙

关闭

使用自适应方法:

关闭

材料属性

号数

实体名称

材料

质量

体积

1

FrontShockClamp-1

合金钢

0.0121309kg

1.57545e-006m^3

2

ShockPlunger-1

合金钢

0.00726932kg

9.44067e-007m^3

3

ShockTube-1

合金钢

0.0191273kg

2.48406e-006m^3

材料名称:

合金钢

说明:

材料来源:

材料模型类型:

线性弹性同向性

默认失败准则:

最大vonMises应力

应用程序数据:

属性名称

数值

单位

数值类型

弹性模量

2.1e+011

N/m^2

恒定

泊松比

0.28

NA

恒定

抗剪模量

7.9e+010

N/m^2

恒定

质量密度

7700

kg/m^3

恒定

张力强度

7.2383e+008

N/m^2

恒定

屈服强度

6.2042e+008

N/m^2

恒定

热扩张系数

1.3e-005

/Kelvin

恒定

热导率

50

W/（m.K）

恒定

比热

460

J/（kg.K）

恒定

载荷和约束

夹具约束名称

选择组

说明

夹具-1

于1面固定。

夹具-2

于1面带位移0mm沿径向。

位移0mm沿圆周。

载荷载荷名称

选择组

装载类型

说明

力/扭矩-1

于1面应用力-3N垂直于参考基准面相对于所选参考Plane1使用均匀分布

按序装载

接头定义

接头名称

选择组

装载类型

说明

弹簧接头-1

弹簧（平坦平行面）接头于2面;带255.7N/m总正交刚度及0N/m总抗剪刚度

按序装载

接触

相触状态：

接触面-接合

算例结果

默认结果

名称

类型

最小

位置

最大

位置

应力1

VON:

vonMises应力

3.4735e-007N/mm^2（MPa）

节:

29852

（-65.791mm,

4.78088mm,

-9.74047mm）

2.4689N/mm^2（MPa）

节:

25817

（-61.2136mm,

5.88481mm,

-38.0587mm）

位移1

URES:

合位移

0mm

节:

33154

（-64.3016mm,

7.27298mm,

21.687mm）

11.7326mm

节:

17905

（-63.523mm,

6.77298mm,

-47.7271mm）

应变1

ESTRN:

对等应变

9.3565e-013

单元:

14158

（-63.4759mm,

5.97275mm,

-19.51mm）

7.61153e-006

单元:

15770

（-66.8023mm,

3.64944mm,

-38.0681mm）