SolidWorks Simulation有限元分析培训教程PPT幻灯片课件.pptx

SolidWorksSimulation基础培训 SolidWorksSimulation培训目录 绪论有限元简介 主要内容 SolidWorksSimulation概述有限元分析概述SolidWorksSimulation的使用限制 4 Simulation发展历程 辉煌的历史 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 推出CosmosWorks 第一个SolidWorks黄金合作伙伴 发布COSMOS2008 被DassaultSystemes收购 SolidWorksSimulation2009 2002 C 2007 2001 C 1996 与SolidWorks整合 5 SolidWorksSimulation产品 什么是FiniteElementAnalysis FEA 有限元思想最早可以追溯到远古时代 在几个世纪前就得到了应用 如用多边形 有个直线单元 逼近圆来求圆的周长 FEA不是唯一的数值分析工具 在工程领域还有其它数值方法 如有限差分法 边界元法和有限体积法 流体 FEA占据了工程分析的软件市场 而其它方法被归入小规模应用 7 什么是FEA 例 如何用一根很短的尺子来测量从家到邮箱的小路的长度 弯曲的小路用分段小路来代替 用短尺分段测量小路 8 FEA步骤 一般来讲 FEA软件通常有以下三个步骤 预处理分析的类型 例如 静态 热 频率 材料的性能 载荷和约束被定义 建立数学模型 并且模型被分为有限的单元 建立有限元模型 求解用来计算所需的结果 求解有限元模型 后处理用来对结果进行分析 分析结果 9 SolidWorksSimulation步骤 建立数学模型建立有限元模型求解有限元模型结果分析 10 建立数学模型 特征消隐 合并或消除在分析中认为不重要的特征 外圆角 圆边 标志等 理想化清除 简化CAD几何模型的方法 11 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 称为网格划分 12 FEA中的基本概念 网格 用四边形或三角形对CAD几何外形的近似描述单元 网格中所存在的三角形 四面体 或四边形 六面体 等结点 不同单元所联接在一起的点 结点是求解未知量 通常是位移 所需的点 13 Simulation中的单元类型 Simulation中三维单元有 一阶实体四面体单元和二阶实体四面体单元 二维单元有 一阶三角形壳单元和二阶三角形壳单元 一维单元有 梁单元 14 实体单元示例 Simulation中的单元类型 将零件划分成小的四面体单元 并计算每一个单元上的变形 从而解出整个零件的变形 15 Simulation中的单元类型 一阶 草稿质量 四面体单元共有四个节点 每个角上有一个 每个节点有三个自由度 意味着节点可完全由三个位移分量来表示 16 Simulation中的单元类型 二阶 高质量 实体四面体单元有十个节点 四个角点和六个中间节点 并且每个节点又三个自由度 17 壳单元示例 将面划分成小的三角形单元 并计算每一个单元上的变形 从而解出整个零件的变形 Simulation中的单元类型 18 一阶 草稿质量 三角形壳单元有三个节点 分布在角上 并且每个节点有六个自由度 意味着它的位移可完全由三个平移分量和三个转动分量描述 Simulation中的单元类型 19 Simulation中的单元类型 二阶 高质量 三角形壳单元有六个节点 三个角节点和三个中间节点 意味着位移可由三个平移和三个转动组成 20 梁单元示例 Simulation中的单元类型 将框架划分成小的梁单元 并计算每一个单元上的变形 从而解出整个零件的变形 21 Simulation中的单元类型 两节点梁单元的形状在初始时为平直的 但可以假定形状在变形发生后为三次方的一个函数 梁单元在每个端点处都有六个自由度 22 草稿品质 一阶 及高品质单元 二阶 一阶单元 仅在对特定目标进行分析时使用 如证实载荷或约束的方向 二阶单元 准备用来作最后计算的算例均应该采用高品质单元 23 建立FEA模型 约束 描述所给的模型是如何与外界相联系固定一个面 线或点允许滑动或转动 24 建立FEA模型 载荷 作用于模型的外表面的载荷 作用在面 连线或点上的力扭矩 力矩压力作用于整个模型的载荷 重力 离心力热载 25 FEA中的误差 理想化误差创建数学模型离散为有限元模型数值误差解算过程离散化误差是FEA特有的 也只有这个误差能够在使用FEA方法时被控制 影响数学模型的建模误差 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 但它们通常都很小 不要只根据该软件的结果进行设计决策 请结合试验数据和实际经验来使用这些信息 最终设计必须接受现场测试的检验 软件可通过减少 而不是完全免除现场测试 来帮助您缩短投入市场的时间 26 FEA计算 有限元网格中每个节点的自由度构成了未知量 在结构分析中 节点的自由度可以被看作节点的位移 位移是基本的未知量 总是被最先计算 热分析中 基本的未知量是节点温度 而温度是标量 因此对于每个节点 只有一个未知量需要求解 27 当载荷应用到实体时 实体通过产生内部力 一般来讲每个点都不一样 而尝试吸收其影响 这些内部力的强度称为应力 应力单位为每单位面积的力 应力分量以一个受压条为例 P点的应力状态可根据任意基准面来描述 虽然合成应力总是相同 但应力分量的数值取决于所选基准面 FEA结果解释 应力 28 应力要通过幅值 方向以及其作用的基准面来描述 某点的应力状态可按以下分量予以完整描述 SX X方向上的应力垂直于YZ基准面SY Y方向上的应力垂直于XZ基准面SZ Z方向上的应力垂直于XY基准面TXY Y方向上的应力作用于垂直于X方向的基准面 YZ基准面 TYX X方向上的应力作用于垂直于Y方向的基准面 XZ基准面 TXZ Z方向上的应力作用于垂直于X方向的基准面 YZ基准面 TZX X方向上的应力作用于垂直于Z方向的基准面 XY基准面 TYZ Z方向上的应力作用于垂直于Y方向的基准面 XZ基准面 TZY Y方向上的应力作用于垂直于Z方向的基准面 XY基准面 SX SY以及SZ称为正应力 TXY TZY称为剪应力 剪应力的关系如以下方程式所示 TXY TYX TXZ TZX和TYZ TZY 因此某点的应力状态要通过六个分量来完整定义 FEA结果解释 应力 29 某一点的应力状态由6个分量定义 3个拉 压 应力和3个剪应力 这些分量与局部坐标系相关VonMises应力 VONMises应力是与坐标系无关安全系数 材料的极限应力 模型中vonMises应力主应力 在某一局部坐标系下 3个剪应力为零时3个拉 压 应力称为主应力 FEA结果解释 30 Simulation中的失效准则汇总 应变是指长度 L的变化与原始长度L之比 应变是一个无量纲的量 应变 L L FEA结果解释 应变 32 Simulation静态分析的使用限制 Simulation静态分析在下列假设下进行材料是线性的小变形 结构响应 静态载荷 33 线性分析 所有的材料用于SolidworksSimulation和SolidworksSimulationProfessional的材料 应力和应变成正比 34 线性分析 小变形任何结构在加载下均会变形 在Simulation中 我们假设变形很小 什么是小变形的确切含义呢 通常的解释是变形相对于结构的整体尺寸来说很小 注意变形大小并不是判断 小变形 或 大变形 的因素 真正的决定因素是看变形是否显著地改变了结构的刚度 抵抗变形的能力 35 静态载荷 静态载荷假设所有的载荷和约束 都不随时间改变 此限制条件意味着加载过程必须十分缓慢以至可以忽略惯性效应 快速施加的载荷将会引发附加的位移 应力与应变 36 Simulation分析流程 材料 Steel1040工作状况压力还是力螺栓联接还是焊接Simulation中的模型网格与求解设计合理吗 查看结果 安全系数应力分布 37 第1章分析流程 第1章学习目标 全面了解Simulation界面用实体网格运行一个线性静态分析 静态几何外形材料属性载荷约束了解网格密度对位移和应力结果的影响采用不同方法显示有限元计算结果管理结果文件获取有用的帮助 39 SolidWorksSimulation界面 分析树 算例页面 Toolbar CommandManager页面 分析库 Simulation算例顾问 40 矩形带孔钢板 项目描述支撑及加载条件一侧固定支撑一侧110000N材料 AISI304模型尺寸 长200mm 宽100mm 高10mm 孔直径为40mm 力学模型 41 预处理总结 划分网格 标准网格 网格大小缺省值是系统基于SolidWorks模型几何形状的形状自动建立的 使用缺省值可以使离散化误差保持在可接受的范围内 同时计算时间较短 它是按包围一个单元的球体 实体单元 或圆 壳单元 的直径来定义的 公差表示了网格特征单元的尺寸范围 如单元大小为0 225in 公差设定为0 011 则所有单元的尺寸均在0 214 0 236in范围内 当网格划分失败时 提高公差可能会有帮助 高级草稿品质网格 一阶单元实体的自动试验 指定网格器自动使用一个较小的整体单元大小再次对模型进行网格化 整体单元大小和公差为每次尝试所减小的比率为0 8 43 划分网格 基于曲率的网格 在高曲率区域中生成更多网格 在低曲率区域中生成较少网格 圆中最小单元数 此选项在单元大小介于最大值最小值之间时有效 Simulation2009新功能 可以合理分配网格资源 44 波节应力与单元应力 波节值使用线性插值法生成平滑图解 单元值在单元的中心生成应力 每个单元都有一个值 颜色 说明单元应力和波节应力一般是不同的 但二者间过大的差异说明网格划分不够精细 45 结果的后处理 修改图表选项修改图解的设定创建截面剪裁创建ISO图解探测应力结果定义第一主应力 位移图解 46 多个结果的比较 由表中看出 最大位移随着网格的精细度提高而增加 即模型随自由度的增加而变得柔软 单元个数的增加同时也更接近真实的位移和应力场 有限元中 位移是基本的未知量 应力通过位移计算而来 持续提高网格的精细程度 应力和位移将趋于有限值 即为数学模型的解 此过程即为收敛过程 创建多个算例 网格细化后 应力差异巨大的原因 位移是有限元的主要未知量 比应变和应力更准确 要得到满意的应力结果 需要精细得多的网格 应力的极值常出现在曲率变化大的地方 如圆角区域 要获得满意的结果 这些区域需要网格细化 48 主要结果 PrincipalStress mesh1study vonMisesStressanddisplacements Mesh2study vonMisesStress Mesh3study 49 理论计算可以得出最大主应力的值 与理论值比较 第1章 问题 有限元预处理的步骤 网格密度对分析结果的影响 怎样划分网格比较合理 练习1 1 支架 问题描述 求图中铝质 1060铝合金 支架的最大应力和位移 该支架通过两个螺栓孔固定在装配体上 零件的沉头孔表面承受了500N的法向力 练习1 2 压缩弹簧刚度 问题描述 分析绕圈弹簧的压缩刚度 弹簧材质为合金钢 其中一端固定 另外一端受到0 1N的压力 注意 为了稳定分析模型 在进行约束时 需要将载荷施加端圆柱面的径向位移进行约束 练习1 2 压缩弹簧刚度 根据所得位移结果 可以计算出弹簧的轴向刚度 练习1 3 容器把手 问题描述 在货运卡车的导轨上装载垃圾容器 需要通过把手与绞盘的吊钩相连 如图所示 整个容器由AISI304钢制作而成 把手对称焊接到两侧的基板上 把手的直径为30mm 钢板的厚度为5mm 添加一个最适当的夹具 模拟把手与钢板之间的连接 装载条件 在极端装载条件下 即当容器拖到卡车导轨上时 把手加载力的大小为3000N 并有15 倾角 这个。