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第9章 壳单元——传送架分析
学习目标:
.使用梁单元分析焊接模型
.定义合适的梁单元连接以反映真实场景
.后处理梁单元的分析结果
 
9.1 项目描述
图9-1是简化的传送架模型,模型及焊接点的材料为普通碳钢(Plain Carbon Steel)。本例将在极端
运行工况(包含独立的力和力矩)下分析。支架所有6个支脚都以地脚螺栓的方式固定在地面上,但只有两
个倾斜的支脚能够传递力矩。

传送架模型
 
9.1.1 单元选择
    支架可以采用实体单元和壳单元进行分析,但二者都会产生过多的单元数量。同时,伴随相应接触条
件的网格构建也会花费大量时间。本章将采用梁单元划分焊件结构,这会大大降低简化模型,而对精度的
影响也非常小。
 
9.1.2 梁单元
    梁是另一种结构化单元,它所有的截面特征都在推导单元的刚度矩阵时得到。这样带来的好处是,
截面特征无须反映在有限元网格中.因此极大地简化了模型准备及分析求解。
    一般来说,梁单元包含两个节点,每个节点拥有6个自由度。更多详细内容,请参照本书的绪论部分。
    关键步骤
    (1)创建梁单元 当分析焊件结构时,系统会自动创建梁单元。
    (2)计算接点 将计算生成单元之间的已有接点。
    (3)合并太靠近的接点 检查所有接点,以判断接点之间的距离是否太近。过近的接点可以被合并,以获得更好的网格。
    (4)指定接点类型 指定每个接点的自由度数量。
    (5)加载夹具及载荷 加载外部约束及力。
    (6)划分模型网格 创建一个横梁单元网格。
    (7)运行分析 算例运行的方式与其他网格一样。
    (8)图解显示并分析结果查看分析结果.以决定下一步的工作。

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操作步骤
    步骤1 打开零件
    打开文件夹“Lesson9 \ Case Study”下的文件“Convey-or Frame”。
    步骤2 设定SOLIDWORKS Simulation选项
    设定全局单位系统为【公制(I)(MKS)】,【长度】单位为mm,【应力】单位为N/m²。
    步骤3 创建新算例
    新建一个名为“frame”的静应力分析算例。
    步骤4 横梁单元
    展开文件夹Conveyor Frame,用户会看到所有焊件实体
前都有一个横梁图标。右健单击切割清单文件夹并选择
【删除】。现在所有的横梁都位于文件夹“Conveyor Frame”
下。由于这个零件是一个焊件,因此会自动生成16个横梁单元。同时还会新增一个名为【结
点组】的文件夹,如图9-2所示。

横梁及接点
提示:梁单元在SOLID WORKS模型树下根据模型的文件或者于文件夹排列组织。任何
梁单元能通过单击右键【视为实体】转化为实体。
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    1.长细比 梁单元通常用于表现细长的零部件。为了让横梁获得可接受的结果,横梁的长度应该
是横截面最大尺寸的10倍。
    软件会自动检查这个比值,当横梁的长细比小于10时,软件将会警告提示,如图9-3所示。
    2.截面属性 除了由于扭转和抗剪力产生的抗剪应力之外,所有横梁的属性将通过实体几何体自
动计算得到。扭转抗剪应力的常数将输入到【截面属性】对话框中,如图9-4所示。

警告提示截面属性
.扭转常数:扭转常数K。该值可以通过计算或通过查找文献获得(例如,可以查看《Formulas
for Stress and Strain》,作者为Roark和Young)。
    .最大抗剪应力的距离:即截面中心到最大扭转抗剪部位之间的距离。
    .方向I抗剪因子:代表横梁坐标系方向1上非均匀抗剪应力的抗剪因子。
    .方向2抗剪因子:代表横梁坐标系方向2上非均匀抗剪应力的抗剪因子。


 
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    步骤5 指定材料
    对所有横梁单元指定材料【Plain Car-bon Steel】。
    步骤6 查看计算的接点
    右健单击[接点组1并选择【编辑】。
    在【所选横梁】中选择【所有】,单击【计其】。生成的接点将显示在【结果】对话框中,如图9-5所示。它们的位置将在模型视图中显示,如图9-6所示。

编辑接点组计算节点
    单击【确定】。
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9.1.3 连接及断开的接点
    下面的图以黄色或紫红色的球显示接点,如图9-7所示。

显示结点
   ·(紫红色)接点连接到两个或更多的横梁构件。
   ·(黄色)接点只连接到一个横梁构件,并与其他横梁断开连接。这样的接点必须手动连接到邻近的梁单元。
    1.定义横梁接点的小球直径上面的步骤中显示了如何通过
直接从计算得到的接点中【添加】/【移除构件】来编辑接点。
然而,我们还可以修改假定小球的直径来定义接点。所有处于该
小球之内的接点将组成一个新的接点。
    2.将小于此项的间隙视为接株
    (1)等于零 当梁的端点相互接触时生成一个接点。
    (2)小于 横梁端点之间的距离小于这个间隙时,将被定义为一个接点。需要勾选【在更新上保留
修改的接点】复选框,以保留最新计算得到的接点。


 
9.1.4 横梁接点位置
    在推导横梁单元的刚度矩阵时,所有横梁的横截面信息已经作为参数计算在内。因此,最终的网
格源自基于接点的线框。本例中的横梁模型转化得到的线框,如图9-8所示。
    由接点确定的直线或曲线段将被划分为横梁单元。在SOIJDWORKS Simulation中,接点是自动获
取得到的,所以有时候一些接点的相对位置比较靠近,希望将它们进行合并,例如将两个接点合并成
一个。接点1和接点2相对比较接近,就有可能合二为一。
    有时自动化生成的接点必须进行手动修改,这也将在本章中进行练习。
 
9.1.5 横梁接点类型
    每个横梁的端点都有6个自由度,对这6个自由度进行约束及释放能够代表各式各样的结构连接情
况。SOLIDWORKS Simulation提供如下选项以连接梁单元的端点到接点,如图9-9所示。

线框横梁接点类型
    1.刚性 所有6个自由度都约束在接点上。这种连接类型将从梁单元转移所有力及力矩到接点(反之亦然)。
    2.铰链 只有3个自由度约束在接点上。这种连接类型不能从梁单元转移力矩到接点(反之亦然)。
    3.滑动 横梁端点能够自由平移,但不能转移力到接点。
    4.手动 自定义的连接,可以选择类型。
 
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    步骤7 约束竖直支脚
对4个竖直支脚的底部接头施加【不可移动】的约束,如图9-10所示。
    步骤8 约束倾斜支脚
对两个倾斜支脚的底部接合施加【固定几何体】约束,如图9-11所示。

对竖直支脚施加约束对倾斜支脚施加约束
  我们可以直接选择【横梁】应用载荷在结构上,也可以直接应用在【顶点】或者【铰接】上。
    步骤9 在顶梁上施加载荷
  单击【外部载荷】,选择【力】。在【选择】项中单击【钢梁】 ,然后按图9-12所示选择
两根横梁。在【垂直于基准面】方向上施加67 OOON的力(以Top基准面为参考),单击【确定】。
    步骤10 在拐角接合处施加载荷
    要想直接施加力和力拒到接点上,在图9-13所示的【力】属性框的【选择】中,选择【铰接】
项。在拐角接榫处添加45 OOON的力和2260N·m的力矩。力的方向采用【垂直于基准面】,
力矩的方向采用【沿基准面方向1】进行定位.参考面为Front基准面。

在顶梁上施加载荷在拐角接合处施加载荷
    步骤11 划分模型网格
    单击【划分网格】。
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9.1.6 渲染横梁轮廓
    我们有可能将横梁的网格和结果显示为圆柱(简化模式)或真
实的横梁轮廓,如图9-14所示。对于含有大量横梁的模型,显示网
格或横梁截面的结果可能需要耗费更长时间。

网格渲染结果
    当在应力图解中选择该选项时,应力将通过计算显示在梁的截
面上。这会更准确地表现出应力轮廓。如果不选择该选项,则只会
显示每个横梁筋骨上的最高应力值。


 
------------------------------------
    步骤12渲染横梁轮廓
单击【渲染横梁轮廓】,如图9-15所示。

渲染横梁轮廓
    步骤13 运行分析
    单击【运行】,注意体会算例完成分析的速度有多快,如果换用实体或壳单元,计算时间会增加很多。
    步骤14 图解显示合位移
    编样图解并在【高级选项】中勾选【渲染横梁轮廊(更慢)】复选框,如图9-16所示。

合位移图解
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    对于梁单元来说,应力分量可以分为轴向、弯曲、扭转以及剪切应力。弯曲和剪切应力可以
分为两个相互垂直的应力分量(第一方向和第二方向)。最高应力分量为轴向和弯曲的合力,
也可以图解。请查阅SDLIDWORKS帮助文档取得更多信息。
 
9.1.7 横截面的第一方向及第二方向
    对法向应力弯曲分量进行后处理,必须指定截面的第一方向及第二方向。第一方向沿截面的
最长边定义.第二方向垂直于第一方向定义,如图9-17所示。

横梁的第一方向与第二方向
 
------------------------------------
    步骤15 显示应力图解
默认情况下,应力图解会显示【上界轴向和弯曲】,如图9-18所示。

上界轴向和弯曲
    步骤16 重新显示应力图解
    在【高级选项】中匀选【演染横梁枪廊(更慢)I复选框,并选择【轴向】,如图9-19所示。
轴应力图解说明,由法向力产生的法向应力分量沿横梁单元截面均匀分布。可以观测到最大值
约为14.12MPa。可以看到最大的和向拉伸应力为14. 12MPa及表大轴向压应力为28.28 MPa,
在这种工况下.应力是比较低的。

轴向应力结果显示
    步骤17 图解显示折弯的法向应力
    分别以选项【以当地方向1折弯】及【以当地方向2折弯】定义应力图解,如图9-20和图9-21所示。

弯曲应力结果显示
弯曲应力结果显示
    这些图解可以得到由折弯力矩引起的法向应力分量的最大住和最小值(极点位置)。这里
可以观测到一个相当大的数值(相比抽应力图解而言)。
    截面受到的法向总应力等于轴和折弯分量的总和.即最高轴向和折弯应力图解。
提示:【方向2折弯】显示的方向2的最大方向应力是弯矩导致的。在截面上的总法向
应力等于轴向和弯曲应力分重的总和:这是最坏工况的应力图解。
    步骤18 图解显示法向总应力的极值
    定义一个【最高轴向和折弯】的应力图解。图解增添了轴及折弯在方向I的法向应力。图
解显示了横梁截面法向应力的极值,如图9-22所示。

合成应力结果显示
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9.1.8 弯矩和剪力图表
    有经验的用户可以查看图解显示弯矩和剪力图表。这可以了解结构中的弯矩和剪力是如何沿着梁
变化的,或便于后续设计更复杂的混合梁构件。


 
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    步骤19 图解显示弯矩图
    右键单击【结果】文件夹,选择【定义横梁图表】,如图9-23所示。在【显示】列表框中,选择【方向1力拒】及【N·m】

弯矩图选项选择倾斜梁
    在【所选横梁】对话框中,选择【选择】选项并选择带有焊接缺陷的倾料梁,如图9-24所示。单击【确定】完成图表定义.如图9-25所示。

倾斜梁的弯矩图
    可以观察到在单元方向I上力距是线性变化的。
    步骤20 列举横梁力
    右键单击【结果】文件夹并选择【列举横粱力】。在【列表】框中选择【应力】.设置单位为
【SI】并单击【确定】,如图9-26所示。
    【列举力】对话框完全列出了所有横梁单元的最大(最小)法向和剪切应力。
    步骤21 列举合力
  右键单击【结果】文件夹并选择【列举合力】。选择4条竖直支脚底部的接样,单击【确定】,如图9-27所示。

列举横梁力
列举合力1
列举合力
思考:为什么竖直支脚底部的接样处反作用力拒为零?
    步骤22 保存并关闭模型
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