solidworks_Simulation理論基礎(chǔ).ppt

Chapter1BackgroundandTheory 1 Simulation有限元分析 理論基礎(chǔ) 長(zhǎng)沙凱士達(dá)信息技術(shù)有限公司CAE工程師謝莉 Chapter1BackgroundandTheory 2 概要 Simulation產(chǎn)品線及公司介紹什麼是FEA 歷史背景FEA在設(shè)計(jì)中的作用有限元理論定義一般過(guò)程強(qiáng)度理論 Chapter1BackgroundandTheory 3 Simulation產(chǎn)品線 面向所有用戶的協(xié)同仿真 Simulation機(jī)械設(shè)計(jì)驗(yàn)證 FlowSimulation計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Motion運(yùn)動(dòng)仿真 Chapter1BackgroundandTheory 4 SolidWorks設(shè)計(jì)仿真產(chǎn)品線 Chapter1BackgroundandTheory 5 COSMOS更名 SolidWorksSimulation產(chǎn)品線的新名稱 Chapter1BackgroundandTheory 6 Simulation發(fā)展歷程 1982 1985 1995 1997 SRAC創(chuàng)立 COSMOS M 第一款用于PC的FEA軟件 第一個(gè)SolidWorks合作伙伴 第一個(gè)SolidWorks黃金合作伙伴 發(fā)布Simulation2005 被DassaultSystemes收購(gòu) 發(fā)布COSMOS2007 2002 2004 2001 發(fā)布SW Premium 發(fā)布Simulation2006 2005 2006 COSMOSMotion加入SW Premium 2007 發(fā)布COSMOS2008 2008 更名為Simulation Chapter1BackgroundandTheory 7 許多人并不需要FEA 當(dāng)時(shí)間 費(fèi)用 重量無(wú)需考慮時(shí) Chapter1BackgroundandTheory 8 什么是FEA 解析方法雖然簡(jiǎn)單但很難滿足許多工程設(shè)計(jì)的需要 FEA將復(fù)雜的幾何模型離散分解成許多簡(jiǎn)單的小塊 FEA FiniteElementAnalysisFEM FiniteElementMethodFEA FEM稱為有限單元分析 方法 Chapter1BackgroundandTheory 9 歷史背景基于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 在1943 RichardCourant建議將連續(xù)介質(zhì)的物體劃分為三角形的小塊1953年 絎架結(jié)構(gòu)分析在數(shù)字計(jì)算機(jī)上首次完成 1960年 有限單元法 的名字由RayClough首次提出在70年代末80年代初 分析評(píng)估在微機(jī)和工作站上實(shí)現(xiàn)花費(fèi)少容易組織但過(guò)程麻煩 設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生模型并把他們交給分析人員 分析人員導(dǎo)入分析模型 進(jìn)行分析 并給出分析結(jié)果根據(jù)分析結(jié)果更改設(shè)計(jì)等 Chapter1BackgroundandTheory 10 歷史背景基于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 80年代中期進(jìn)入PC時(shí)代 分析的采用在一定程度上提高了效率90年代中期進(jìn)入Windows時(shí)代花費(fèi)低設(shè)計(jì)人員已把分析作為設(shè)計(jì)中不可分割的一部分更復(fù)雜和更大的裝配體模型也可進(jìn)行分析CAD和FEA集成的改善自動(dòng)優(yōu)化處理更快的速度和精度分析的未來(lái) 更高效的工程部門(mén)更安全的產(chǎn)品更短的產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間 Chapter1BackgroundandTheory 11 FEA在工業(yè)中 CAD和FEA的結(jié)合使得在實(shí)際工作中使用FEA方便簡(jiǎn)單在設(shè)計(jì)中使用FEA可以大大減少 但不是替代 物理樣機(jī)和試驗(yàn)通過(guò)使用FEA 設(shè)計(jì)可以更優(yōu) 減少重量體積并且提高可靠性 Chapter1BackgroundandTheory 12 FEA在工業(yè)中 FEA并不只強(qiáng)調(diào)自己FEA要在設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用離不開(kāi)物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn) Chapter1BackgroundandTheory 13 當(dāng)有零部件破壞時(shí) 物理實(shí)驗(yàn)金相檢查各種儀器 昂貴 檢測(cè)重新設(shè)計(jì)重新試驗(yàn) FEA了解到各種工況數(shù)據(jù)看到失效形式找到危險(xiǎn)和沒(méi)危險(xiǎn)的零部件 我們?cè)嚵擞衷嚨圆恢浪鼮槭颤N會(huì)壞 Chapter1BackgroundandTheory 14 把事情做好 傳統(tǒng)的方式按比例試驗(yàn)樣機(jī)重新設(shè)計(jì)重新試驗(yàn) FEA了解各種參數(shù)影響沒(méi)有材料消耗測(cè)試各種極端情況下和無(wú)法作試驗(yàn)的結(jié)果鑒別各種可能的趨勢(shì)優(yōu)化處理 Chapter1BackgroundandTheory 15 有限元術(shù)語(yǔ) Chapter1BackgroundandTheory 16 有限元網(wǎng)格 一個(gè)離散化的模型代表實(shí)際三維物體有限元模型由單元和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成 對(duì)單元位移有一個(gè)簡(jiǎn)化的假設(shè)形式位移的連續(xù)性在節(jié)點(diǎn)處被保證 Chapter1BackgroundandTheory 17 單元 節(jié)點(diǎn)定義 應(yīng)力應(yīng)變?cè)诿總€(gè)單元中被計(jì)算力和位移在每個(gè)節(jié)點(diǎn)被計(jì)算單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互作用單元可分為兩大類連續(xù)介質(zhì) 實(shí)體 結(jié)構(gòu) 梁 殼 Chapter1BackgroundandTheory 18 有限單元 COMOSWorks用四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐謱?shí)體幾何體 用三角形殼單元?jiǎng)澐謳缀蚊?實(shí)體四面體單元 二階 Chapter1BackgroundandTheory 19 Chapter1BackgroundandTheory 20 有限單元 殼單元 一階 二階 Chapter1BackgroundandTheory 21 Chapter1BackgroundandTheory 22 有限單元 橫梁?jiǎn)卧?Chapter1BackgroundandTheory 23 在FEA中使用直接位移法求解 位移被假設(shè)是未知的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)可能的位移自由度 DOF 即 ux uy uz qx qy qz根據(jù)單元類型不同 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度情況也不同在2D中的連續(xù)單元僅有ux和uy在2D中的結(jié)構(gòu)單元僅有ux uy 和qz在3D中的連續(xù)單元僅有ux uy和uz在3D中的結(jié)構(gòu)單元有所有六個(gè)自由度所有存在的自由度都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的力和矩 Chapter1BackgroundandTheory 24 實(shí)體單元各節(jié)點(diǎn) 3個(gè)自由度殼單元各節(jié)點(diǎn) 6個(gè)自由度梁?jiǎn)卧鞴?jié)點(diǎn) 6個(gè)自由度 Chapter1BackgroundandTheory 25 結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) 平衡方程 變形協(xié)調(diào)方程 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 虎克定律 Chapter1BackgroundandTheory 26 平衡方程 施加在一個(gè)單元上的外力之和為零 Chapter1BackgroundandTheory 27 變形協(xié)調(diào)方程 單元節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)變的關(guān)系節(jié)點(diǎn)力和單元應(yīng)力亦如此 ei B u Chapter1BackgroundandTheory 28 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 又稱為物理方程定義應(yīng)力 s 和應(yīng)變 e 關(guān)系 在該關(guān)系方程中 C 是一個(gè)6X6的矩陣 s C e Chapter1BackgroundandTheory 29 邊界條件 在有限元分析中的邊界條件代表實(shí)際物理模型和它周邊物體之間的相互作用關(guān)系 分析整個(gè)系統(tǒng)在很多時(shí)候既不實(shí)際也沒(méi)必要 通過(guò)使用邊界條件一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的分析 可以簡(jiǎn)化成對(duì)一個(gè)零部件級(jí)的分析 Chapter1BackgroundandTheory 30 邊界條件 自由物體有六個(gè)自由度 RIGIDBODYMODES 一個(gè) RBM 是一個(gè)可能的運(yùn)動(dòng) 存在有可能的運(yùn)動(dòng)的方向不能有變形 自由物體有三個(gè)移動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 Chapter1BackgroundandTheory 31 邊界條件 約束應(yīng)按以下原則施加 約束條件忠實(shí)地反映實(shí)際工況剛體六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度必須被約束掉 Chapter1BackgroundandTheory 32 各種約束條件的實(shí)例 FEA等效約束種類如下所述 懸臂梁約束 固定 導(dǎo)槽約束輪廓約束鉸鏈約束球鉸約束 Chapter1BackgroundandTheory 33 邊界條件 所有的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都被約束 懸臂梁約束 固定約束 僅有一個(gè)移動(dòng)自由度 導(dǎo)槽約束 Chapter1BackgroundandTheory 34 邊界條件 所有的轉(zhuǎn)動(dòng)被約束僅允許一個(gè)移動(dòng)自由度 輪廓約束 所有的移動(dòng)被約束僅允許一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 鉸鏈約束 Chapter1BackgroundandTheory 35 邊界條件 所有移動(dòng)被消除 所有轉(zhuǎn)動(dòng)被允許 球鉸約束 Chapter1BackgroundandTheory 36 載荷 施加在物體外表面的力稱為外力如集中力和壓力施加在物體內(nèi)部的力稱為體力如重力 離心力 溫度應(yīng)力 Chapter1BackgroundandTheory 37 有限元分析概述 有限元分析可分成三個(gè)階段 前處理 處理和后處理 前處理是建立有限元模型 完成單元網(wǎng)格劃分 后處理則是采集處理分析結(jié)果 使用戶能簡(jiǎn)便提取信息 了解計(jì)算結(jié)果 FEA分析的基本步驟 預(yù)處理 定義分析類型 添加材料屬性 施加載荷和約束 網(wǎng)格劃求解 計(jì)算結(jié)果后處理 分析結(jié)果 Chapter1BackgroundandTheory 38 有限元分析過(guò)程 產(chǎn)生幾何模型 劃分單元 確定分析類型 添加材質(zhì)屬性 加約束 加載荷 解線性方程組 u 建立系統(tǒng)線性方程組 Pre Analysis 生成系統(tǒng)剛度矩陣 K 計(jì)算 產(chǎn)生單元?jiǎng)偠染仃?u f Chapter1BackgroundandTheory 39 有限元分析過(guò)程 獲得每個(gè)單元的單元應(yīng)變 計(jì)算單元應(yīng)力 顯示結(jié)果 Post 獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)位移 Chapter1BackgroundandTheory 40 建立數(shù)學(xué)模型 對(duì)CAD幾何模型進(jìn)行修改以滿足網(wǎng)格劃分的要求 正確的 適度少的有限單元 方法特征消隱理想化清除確定分析類型 材料屬性 載荷 支撐和約束 Chapter1BackgroundandTheory 41 建立有限元模型網(wǎng)格劃分 通過(guò)離散化過(guò)程 將數(shù)學(xué)模型分成有限單元 求解有限元模型結(jié)果分析 Chapter1BackgroundandTheory 42 有限元分析過(guò)程 Chapter1BackgroundandTheory 43 強(qiáng)度理論 第一強(qiáng)度理論 最大法向應(yīng)力理論 P1 第一主應(yīng)力主應(yīng)力 切應(yīng)力為零的平面上的正應(yīng)力 一般適用于脆性材料 如鑄鐵 陶瓷 工具鋼等第二強(qiáng)度理論 最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論 P1 u P2 P3 合金鑄鐵 低溫回火的高強(qiáng)度鋼和石料等第三強(qiáng)度理論 最大切應(yīng)力理論 最大抗剪應(yīng)力 max P1 P3 2 Chapter1BackgroundandTheory 44 強(qiáng)度理論 第四強(qiáng)度理論 形狀改變比能理論VonMises應(yīng)力 Chapter1BackgroundandTheory 45 主應(yīng)力 1 2 3 剪應(yīng)力為零 設(shè)計(jì)檢查圖解安全系數(shù) 不同材料不同情況下公式中的極限應(yīng)力都不同 根據(jù)需要來(lái)選擇 Chapter1Backgroun