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7.1仿真基础

    仿真分析是SolidWorks软件中重要的一个部分,它可以帮助用户解决经常碰到的计算、零
部件强度和刚度的校核及对机器或零部件结构分析等问题。而且SolidWorks软件中的仿真分析
模块简单易学,对于那些没有扎实工程知识背景的设计者来说是一款非常适用的分析软件。
    对于分析方法,SolidWorks软件采用了比较新颖且十分有效的数值分析方法一一有限元法。
有限元法的应用与电子计算机密切相关,所以己被公认为分析的有效工具,现在已被广泛应用。
    学习要点:
    ●  仿真分析的一般流程;
    ●  有限元网格划分技巧;
    ●  流体仿真;
    ●  目标结果的读取方式。

    Simulation分析是一款基于有限元法(FEA)的设计分析软件,主要包含对零件和装配体进
行静力分析、热力分析、屈曲分析、跌落测试、疲劳计算等功能。设计工作者在实际设计中必然
会牵扯到大量的结构分析、校核验算等工作,这也必然会消耗大量的人力、物力、财力。而分析
软件中的这些功能可以帮助设计工作者在设计的时候对零件进行校核分析和优化,减小设计缺
陷,缩短设计时间,降低零件失效概率,从而降低产品开发成本。
 
    7.1.1  Simulation插件简介
 
    SolidWorks Simulation足SolidWorks软件中的一个插件,只有该插件被激活后用户才能使用。
激活后的SolidWorks Simulation会在SolidWorks软件的界面中出现相应的工具栏。
    1.Simulation插件的激活
    【操作步骤】
    步骤01 选择“工具”一“插件”命令,如图7-1所示,或直接在菜单栏中单击“选项”下
拉列表,选择“插件”命令。

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.1仿真基础1
    步骤03  单击“确定”按钮,完成激活。
    【注意】:若只勾选“插件”对话框中的前面复选框,如图7-2所示,那么SolidWorks Simulation
插件只在本次打开的SolidWorks软件中处于激活状态。也就是说,在下次打开SolidWorks软件
时SolidWorks Simulation插件不会自动启动。若同时勾选两个复选框,那么SolidWorks Simulation

插件会在下次启动SolidWorks软件时自动激活。

图7-2临时激活插件

   2.SolidWorks Simulation工作界面介绍
    SolidWorks Simulation工作界面简洁明了,操作命令简单易学,其中,一般的力学分析所常
用的模块如图7-3所示。

   图7-3  SolidWorks Simulation工作界面 

  (1)工具栏:工具栏如图7-4所示,集聚了SolidWorks Simulation分析所有的功能命令,为
用户做结构分析提供了非常大的便利。工具栏中包括算例顾问、应用材料、夹具顾问、外部载荷
顾问、运行、结果顾问、变形结果、设计洞察、报表等命令。

图7-4工具栏

    其中,做结构分析一般常用的命令有算例顾问、应用材料、运行、变形结果等命令。这些命
令将在下面的章节里做详细讲解。
    (2) Simulation设计树:设计树中包含了算例类型、算例名称、连接、夹具等功能选项,方
便用户在做结构分析时使用。
    (3)算例界面:用户所有的算例将会在算例界面中显示出来,方便用户在使用时切换。
 
    7,1,2分析流程
 
    介绍SolidWorks Simulation基本操作界面之后,读者还需要熟悉一下Simulation的分析流程。
这里先对一个简单的角铁实例进行静力学分析,让读者对Simulation的分析流程有个初步认识。
  【操作步骤】
  步骤01  启动SolidWorks,打开光盘文件一“第7章”一“7.1”一“角铁”文件,如图7-5
所示。

图7-5打开“角铁”模型

    步骤02   选择默认单位。选择Simulation--“选项”命令,弹出系统选项对话框,选择“默
认选项”一“单位”,点选“公制”单选按钮,将“开氏”温度改成“摄氏”温度,如图7-6、
图7-7、图7-8所示。
    步骤03 选择“算例顾问”下拉菜单一“新算例”命令,出现“算例”对话框,如图7-9
所示。

图7-9新建算例

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.1仿真基础2

    步骤06  选择“合金钢”选项,单击“应用”按钮,单击“关闭”按钮,其他按系统默认
处理,完成对实体材料的定义。
  【注意】
  从图7-8中可以看到,系统提供了材料的弹性模量、泊松比、抗剪切模量、屈服强度等信息,
所以如果在做设计时需要材料的基本信息,可以用以上方式查阅。

图7-11  定义材料

   步骤07  装载夹具。右击“夹具”,选择“固定几何体”命令,出现“夹具”对话框,如
图7-12所示。
图7-13选取约束面

    步骤09 加载外部载荷。右击“外部载荷”,选择“力(F)”命令,出现“力/扭矩”对话
框,如图7-14所示。

图7-14加载外部载荷

图7-18实体网格划分
图7-19隐藏固定几何体约束

    进度条走到头后实体自动变成彩色,默认状态下不同颜色代表不同应力,双击结果中的“位
移l(一合位移一)”选项,待该结果被激活后“位移l(.合位移一)”会变成黑体,如图7-22所示,
此时不同的颜色则代表不同的位移量,如图7·23所示。

图7-23  “位移1(.合位移.)”结果

    若用户要查看“应变(一等量一)”的结果,步骤也和上述一样。
    在上述结果中,实体有一个很大的变形量,因为定义实体的材料为“合金钢”,而外部载荷
为仅500N,这结果显然和常理不容。但读者要知道,软件设计工具的优点是可以将用户所感兴
趣的结果清楚明了地展现出来,所以上述结果实体变形量很大是为了让用户可以更加清楚明了地
看清楚位移大小在实体.E的分布情况,具体数值还得从“位移l(一合位移一)”结果右边的数值表
中读取。

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.1仿真基础3

  7.1.3  自定义材料
 
  定义材料是在做Simulation分析过程中必不可少的步骤,材料决定了零件的各项性能,同一
个零件定义不同的材料则会分析出不同的结果,所以在做Simulation分析时必须定义正确的材
料。而且,设计者在做设计时也有可能在材料库中找不到所需性能的材料,所以,用户有必要对
如何自定义材料有一定的了解。本节就以软件中自带的“自定义材料——塑料——自定义塑料”
为例。
  【操作步骤】
  步骤01   打开光盘文件一“第7章”一“7.1”一“角铁”文件。
图7-24打开“自定义材料——塑料——自定义塑料”

  【操作步骤】
  步骤01 在材料库中右击,选择“新库”命令,出现“另存为”对话框,输入材料名称,
单击”保存”按钮,保存材料,如图7-25和图7-26所示。
    步骤02 在新库中建立“新类别”文件夹。右击“新材料”,选择“新类别”命令。“新材
料”文件夹下会出现“新类别”文件夹。
    步骤03  在“新类别”文件夹下建立“默认”材料。右击“新类别”文件夹,选择“新材
料”命令,软件会自动在“新类别”文件夹下建立一个名为“默认”的新材料,单击“默认”材
料,用户可以对新材料的各种参数进行设置。当然,用户可以对所有新建的文件夹和材料进行重
命名,以便归类查找。创建新材料和编辑材料参数过程如图7-27和图7-28所示。
 
图7-28编辑材料参数

  7.1.4夹具介绍
 
  对实体进行结构分析时,实体模型必须有正确的约束条件,使其无法移动。SolidWorks软
件为用户提供了各种用于约束实体模型的夹具,其中包括标准夹具和高级夹具两大类。一般来说,
夹具能够应用到实体模型的顶点、边、面。夹具的类型和属性如下。
  1.标准夹具
  (1)固定几何体:所约束的顶点、边、面不能进行平移和旋转运动。
  (2)滚柱/滑杆:使用该约束的平面能够自由地在该平面上移动或该平面在外载荷的作用下
能够收缩或扩张,但不能做垂直于该平面的运动。
    (3)固定铰链:该约束只能用来约束绕轴运动的圆柱面,该圆柱面的半径和长度在外载荷下
为定值。

  2.高级夹具
  (1)对称:该约束只针对平面问题,它能够允许平面内位移和绕平面法线的转动。
  (2)圆周对称:约束的实体模型绕一特定轴周期性旋转时,其中加载该约束的面可以形成旋
转对称体。
    (3)使用参考几何体:该选项可以保证约束只在所选的点、线、面的方向上,而在其他方向
上可以自由移动或转动。
    (4)在平面上:通过对平面的3个主方向进行约束,可沿选定方向进行约束条件设置。
    (5)在圆柱面上:与“在平面上”相似,但圆柱面的3个主方向是在柱坐标系下定义的。
    (6)在球面上:该选项与“在平面上”和“在圆柱面上”相似,但球面的3个主方向是在球
坐标系下定义的。
    为了使用户可以更好地理解上述夹具的性质,以下讲解如何在“夹具”属性管理器中观看范
例。以“圆周对称”为例,具体操作步骤为:打开光盘文件一“7.1”一“角铁”,右击“夹具”,
选择“高级夹具”一“圆周对称”命令,如图7-29所示。

 图7-29  查看夹具范例

  7.1.5加载外部载荷
 
  约束完成后,需要向实体加载外部载荷,该载荷由设计者在设计的过程中确定,SolidWorks
软件为用户提供了多种用于加载到实体模型上的载荷。一般来说,外部载荷可以加载到顶点、线
或面上。以下介绍SolidWorks软件提供的各种载荷的类型。
    力:根据所选边、轴线、面确定力的方向,对一个点、边或面施加外部载荷,且只有在壳单
元中才能施加力。
    力矩:适用于圆柱面,按右手定则确定所施加力矩的方向。
    压力:主要是对平面施加的压力,可以是定力或变力。
    引力:给指定的实体模型施加线性加速度。
    离心力:给指定的实体模型施加角速度和加速度。
    轴承载荷:在两个相互接触的圆柱面之间定义轴承载荷。
    远程载荷/质量:主要传递法向载荷。

分布质量:主要用于加载到面上,以便模拟被压缩实体模型的质量。
 
7.1.6新建项目的重命名

图7-30重命名

    在选定夹具和外力的类型及约束类型后,用户还可以对夹具和力的大小、方向、颜色等参数
进行设置。
  【操作步骤】
  步骤01  右击“夹具”,选择“固定几何体”命令,出现“夹具”属性管理器,单击“符号
设定”栏的“编辑颜色”按钮,设置“夹具”符号的颜色和大小。
    步骤02 右击“外部载荷”,选择“力”命令,出现“力/扭矩”属性管理器,单击“符号设
定”栏中的“编辑颜色”按钮,设置“力/扭矩”符号的颜色和大小,如图7-31所示。
 图7-31编辑“夹具”、“力/扭矩”符号的颜色

  7.1.8划分网格
 
  本节是SolidWorks Simulation分析的重点。网格划分是有限元分析的基础,网格划分的好坏
直接影响着软件分析的结果。下面进一步阐述网格划分要注意的一些设置。
    1.细化网格
    【操作步骤】
    步骤01   压缩倒角。打开光盘文件一“第7章”一“7.1”一“角铁”文件,进入模型界面,
单击“圆角”,选择压缩圆角命令,如图7-32所示。
 
    步骤02 重新运行算例。完成上步之后可以看到“静力分析l”、“网格”、“结果—前出现黄
色的三角形警告标志,如图7-33所示。这是由于压缩圆角后实体模型被改变,在原先模型基础
七划分的网格已经不适用于现在的模型,以至于分析结果也会跟着变化,所以会出现警告标志。

 图7-32圆角处理

    在重新运行算例之前需要将网格重新划分,将划分为中等密度的网格调整成良好密度的网格。
    【操作步骤】
    右击“网格”,选择“生成网格”命令。将网格因子调到“良好”位置,单击“确定”按钮,
如图7-34所示。
    划分好的网格如图7-35所示。

图7-35  不同的网格精度

    调整过网格精度的实体模型网格比较小,但软件运行会相对较慢,计算机配置一般的用户可
以很明显地体会到这一点,当旋转实体时会体会到计算机反应慢的现象,这是因为网格划分得越
精细,软件需要计算的数据越多。
    完成上述设置后单击“运行”按钮,待软件重新计算出结果后警告标志会自动消失。

    由于圆角被压缩,该实体模型出现了尖角部分,所以应力集中会比有圆角模型的应力集中要
大,比较两者的结果可以发现两者的最大应力不同,有圆角的模型最大应力为37.6MPa,而没有
圆角的模型最大应力为39.9MPa,如图7-36所示。

图7-38  比较结果

    从图7-38可以看出,网格越精细,分析结果越大;有尖角比没尖角分析结果要大。但是如
果网格不够精细(如网格精确度为软件默认值),则分析出的结果有可能相反,即没尖角比有尖
角分析结果要大,有兴趣的用户可以自己用角铁的例子操作一下。根据弹性理论,在尖角处的应
力应该是无穷大的,也就是说应力值是发散的,这就是所谓的应力奇异性。所以从理论上讲,网
格划分得越精细,尖角处的应力应该是越大的。所以,实体模型中圆角的存在不容忽视,更不能
为了简化模型而把有用的圆角给忽略掉。可以看出网格划分的精细程度决定了分析结果的对与
错,不过这也需要根据经验来判断,也就是说SolidWorks Simulation分析的结果只能给设计者一
个参考,不能完全作为应用的依据,若是必须使用,最好先用实验来进行验证。
 
    2.网格控制
 
    因为有应力奇异性,而且用户也不可能对实体模型的网格进行无限制的划分,所以
SolidWorks Simulation插件为用户提供了网格控制功能,该功能可以只将尖角部分的网格进行更
加精细的划分,而平坦的地方用较为粗糙的网格划分。
 
  【操作步骤】
 
  步骤01 重新命名算例。首先将之前做过的算例重新命名,右击“静应力分析”,选择“重
新命名”命令输入“结构分析”,按Enter键确定,如图7-39所示。

图7-40新建算例

图7-42加载外部载荷

图7-44加载外力

    步骤07 网格划分。右击“网格”,选择“应用网格控制”命令,出现“网格控制”属性管
理器,如图7-45所示。
    选择如图7-46所示的边线,再将网格密度调到“良好”位置,如图7-47所示,单击“生成
网格”按钮,弹出如图7-48所示警告对话框,单击“确定”按钮,继续网格化,等待进度加载
完毕,完成对网格的控制。运用网格控制后,“网格”则变成文件夹形式,如图7-49所示。用户
若需要重新编辑“网格控制”,可以右击“控制一l”,选择“编辑定义”命令。

图7-49  “网格”文件夹

    完成网格划分后可以看到,尖角处的网格密度要比没有尖角的地方大,如图7-50所示,这
样软件可以对实体模型尖角处进行细化分析,而且减少了计算机内存的应用,同时也提高了计算
机的运行速度。

图7-50实体网格划分

步骤08 运行结果。单击“运行”按钮,完成操作。分析结果如图7-51所示。

图7-51  分析结果

    从分析结果可以看出,普通的网格划分最大应力为26.5MPa,而用了网格控制后的实体模型
最大应力为56.4MPa,比网格密度为“良好”的分析结果(39.9MPa)还要大,但计算机运行速
度快了许多,这就是网格划分的优点。
 
  7.1.9读取结果
 
  为了方便用户查看分析结果,SolidWorks Simulation插件提供了多种查看结果的方式,用户
可以根据自身的需要来选择不同的查看方式,以下为用户简单地介绍几种常用的结果查看方式。
    1.比较结果
    【操作步骤】
    步骤01   右击“结果”,选择“比较结果”命令,出现“比较结果”属性管理器,如图7-52
所示。

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.1仿真基础4

图7-54比较结果

    步骤03 单击“退出比较”按钮,返回到比较前的界面。
    2.动画
    动画可以查看实体模型动态的变形过程,方便用户了解实体模型的特点。下面以“应力l”
为示范。
  【操作步骤】

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.1仿真基础5

图7-55打开“动画”属性管理器


    步骤02 调节“速度”滑块,可以改变实体模型变形的快慢,方便用户观察,如图7-56所示。
    步骤03 如果想保存此动画,用户可以选择“保存为AVI文件”复选框,并可单击“浏览”
按钮,选择动画文件的保存位置,如图7-57所示。

图7-57保存动画

 3.截面裁剪
  如果遇到某些比较复杂的实体模型,并且想知道其内部某些位置的应力、位移、应变等数据
的话,用户可以使用截面裁剪方式查看结果。
  【操作步骤】
  步骤01  右击“应力1”,选择“截面裁剪”命令,弹出“截面”属性管理器,如图7-58所示。
图7-58打开“截面”属性管理器

步骤02 单击“反转剪裁方向”按钮,反转剪裁方向,便于用户查看,如图7-59所示。
步骤03 拖动箭头,调整合适的裁剪位置,如图7-60所示。

图7-6【裁剪结果

当然,用户也可以根据自身的需要选择不同的截面进行裁剪。


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