SolidWorks仿真分析

1、SolidWorks仿真分析發(fā)表時間：2011-6-30關(guān)鍵字：有限元分析仿真優(yōu)化SolidWorks替換式研究對于快速評估多個選項很有價值，它可以確定哪一個可能的變化(如果有的話)會對零部件產(chǎn)生最大的影響。因為特征的組合數(shù)可以是無限的，所以對每次迭代及其相應(yīng)的響應(yīng)進(jìn)行記錄，這一點很重要一可以避免重復(fù)或遺漏。SolidWorks的用戶可以使用“配置"(Configurations)這一優(yōu)秀的實用工具來管理替換式研究迭代。優(yōu)化是對重量、應(yīng)力、成本、撓度、自然頻率或溫度因素進(jìn)行計算，所有這些都以尺寸、載荷和約束、材料和/或制造要求為條件。本文考察了優(yōu)化過程中的一些基本概念、目前可供受“有

2、限元分析"驅(qū)動的優(yōu)化過程使用的工具，然后將著重講述設(shè)計工程師如何在他們的日常工作中取得最好的優(yōu)化效果。優(yōu)化簡介十年前，設(shè)計工程師開始學(xué)習(xí)使用 有限元分析 (finite element analysis ， FEA、計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics ， CFD 和運動仿真等計算機輔助工程(computer-aided engineering ，CAE 工具，并將它們作為盡快推出更好的設(shè)計的重要手段。他們相信，借助于這類工具所設(shè)計出的零部件、裝配體和產(chǎn)品能夠經(jīng)受住有可能加諸其上的最為粗暴的使用。不過，旨在滿足“最壞情況"的產(chǎn)品，對實際操作

3、環(huán)境來說可能并非最佳設(shè)計。它們可能會因要滿足安全與強度的要求而被過分設(shè)計，遠(yuǎn)超出它們使用目的的要求；或者非常難于制造，成本高昂。如果設(shè)計工程師進(jìn)一步希望自己設(shè)計出的產(chǎn)品就其功能而言是最好、最贏利的，則他們需要將下一個CAE步驟帶入產(chǎn)品開發(fā)過程中，這就是優(yōu)化。設(shè)計工程師眼中的優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化可以提高產(chǎn)品的價值，其手段有：提高產(chǎn)品在自身操作環(huán)境中的性能；或者減少用來制造產(chǎn)品的材料數(shù)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。通過加入優(yōu)化 過程，設(shè)計工程師能夠增進(jìn)對其產(chǎn)品表現(xiàn)的了解，并對設(shè)計加以改進(jìn)，同時還能不違背從前面已完成的分析中得出的數(shù)據(jù)。丄wor s 圖1：與扳鉗有異曲同工之妙的優(yōu)化過程優(yōu)化的基本組件優(yōu)化的過程有三

4、個主要組件：?目標(biāo)?約束?變量最簡單的情況下，經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計應(yīng)該通過改變變量求得目標(biāo)的最大值或最小值，同時確保關(guān)鍵性響應(yīng)不超出所定義的約束條件。目標(biāo)就是執(zhí)行優(yōu)化過程的目的所在。例如，如果某家公司研究表明，生產(chǎn)重量最輕或價格最低的產(chǎn)品將贏得競爭優(yōu)勢，那么，最大限度地減少重量或成本 就將成為優(yōu)化的目標(biāo)一這類情況稱為單目標(biāo)優(yōu)化。工程師經(jīng)常需要面對多目標(biāo)優(yōu)化，不過，這種情況下所需要的資源可能超過日常所能提供的量。如果設(shè)計工程師能夠?qū)⑺膯栴}定義細(xì)化為一個目標(biāo)(或 一次只有一個目標(biāo))，優(yōu)化過程就能變得簡單。在大多數(shù)情況下，處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)的工程師會將重量最小化作為目標(biāo)。在流體應(yīng)用中，最常見的目標(biāo)是實現(xiàn)壓降

5、和紊流能最小化或速度最大化。約束將現(xiàn)實帶入了優(yōu)化。圖2中顯示的懸臂示例就屬于這類情況。如果將優(yōu)化問題設(shè)置為不受約束的重量最小化問題，優(yōu)化程序?qū)⒅苯舆x擇尺寸變量所允 許的用料最少條件。不過，在現(xiàn)實世界中，絕大多數(shù)零部件都會有強度或剛度等其他方面的操作要求。因此，工程師要選擇用來定義部件在其系統(tǒng)內(nèi)的可接受 行為的約束條件，這一點很重要。一般而言，他所選擇的約束條件是在單一的靜態(tài)分析、頻率分析或熱分析中所允許的情況。圖2:重量最輕的橫梁可能會過度彎曲在約束研究中，如果工程師希望從幾個可能的設(shè)計配置中找到最佳配置，則他需要更改設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)就是設(shè)計變量。它們可以是尺寸、陣列中的實例數(shù)量、材料屬性、

6、載荷或彈簧剛度一或者擁有可檢測的“最佳"值或需要加以考慮的設(shè)計的任何其他方面。變量可以是連續(xù)的，也就是說，變量能夠在指定的最小值和最大值之間選擇任意值。絕大多數(shù)尺寸變量都屬于連續(xù)變量。它們也可以是離散的，也就是說， 變量只能取定義好的一組可能值。離散變量的最簡單形式是“開關(guān)”或“是否"變量。例如，是否經(jīng)過了焊接或是否帶扣件就屬于離散變量類別。陣列的實例也屬于離散變量。再舉個例子，皮帶輪或轉(zhuǎn)輪的輻條數(shù)可以是任意整數(shù)，但不能是3.2或4.7等小數(shù)。鈑金規(guī)格是一種可落入兩種類別的變量。一般而言，規(guī)格厚度有預(yù)先定義的值，但通常的作法還是將厚度指定為一個連續(xù)變量，然后再上取整或下取整

7、到 最接近的規(guī)格厚度。在優(yōu)化研究過程中，選擇變量是一個非常重要的步驟。如果工程師選擇的變量過多或過少，分析的效果都會大打折扣。變量過多或取值范圍過大，會使程 序難以確定設(shè)計的最佳配置 一考慮相對最小值和最大值時尤其如此。與之相反，如果設(shè)計師提供的變量數(shù)過少或范圍過窄，將會對成功進(jìn)行研究施加不必要 的限制。正確選擇變量的最可靠方法是面向不同的可能性執(zhí)行初始靈敏度研究，這一過程將在后面的部分加以討論。產(chǎn)品優(yōu)化的工具受“有限元分析"驅(qū)動的優(yōu)化乃是工程方面一個不斷上升的研究領(lǐng)域。盡管程序和技術(shù)都可以用來執(zhí)行這一過程，替換法研究、靈敏度研究以及形狀優(yōu)是 目前最常用的方法。形狀優(yōu)化的兩種最常用方

8、法是 梯度搜索和實驗設(shè)計（design of experiments ，DoE。后者是以響應(yīng)面計算為基礎(chǔ)，能夠獲得“健壯的" 解決方案一也就是說，能夠在產(chǎn)品的生命周期中，有效應(yīng)對范圍最廣的工作條件。替換式研究替換式研究是用迭代方法來考察各種可選的設(shè)計配置。例如，設(shè)計工程師可以通過增減筋的方式來了解這樣做對性能產(chǎn)生的影響。替換式研究對于快速評估多個選項很有價值，它可以確定哪一個可能的變化（如果有的話）會對零部件產(chǎn)生最大的影響。因為特征的組合數(shù)可以是無限的， 所以對每次迭代及其相應(yīng)的響應(yīng)進(jìn)行記錄，這一點很重要一可以避免重復(fù)或遺漏。SolidWorks的用戶可以使用“配置"（Co

9、nfigurations）這一優(yōu)秀的實用工具來管理替換式研究迭代。限定了可能的更改之后，如果覺得某些更改值得做進(jìn)一步的研究，設(shè)計師可以利用靈敏度研究來考察相關(guān)尺寸或設(shè)計特征的變化 情況。靈敏度研究靈敏度研究會系統(tǒng)地評估對輸入變化做出響應(yīng)的變化情況。通常是采用圖解或圖表方式來顯示這類研究的結(jié)果：在X軸指定參數(shù)的改變量，在 Y軸指定對這一改變的響應(yīng)。圖3即顯示了這一輸出的一個示例。在給定輸入范圍的情況下，如果響應(yīng)的變化范圍很大，即意味著靈敏度較高；響應(yīng)的變化范圍很小， 即表示不靈敏。這類研究有助于向工程師說明那些值得做進(jìn)一步研究的特征。MW4009su 141< i 14圖3:參數(shù)靈敏度研究

10、一應(yīng)力與厚度另外，靈敏度研究可以向工程師指出意義最為重大的參數(shù)以及對目標(biāo)有最大影響的數(shù)值的范圍。基于“有限元分析"的優(yōu)化程序可以完善這一研究過程， 其方法是根據(jù)某一具體參數(shù)的一系列數(shù)值求出問題的解，然后再描繪出目標(biāo)以及受約束的響應(yīng)。圖4顯示了采用SolidWorks Simulation程序中的“設(shè)計情形"(Design Scenarios)功能設(shè)置這樣一個靈敏度研究的輸入表。這一自動化方法通過指明待研究的維度值，將每一個待考察的參數(shù)范圍均分為幾段。在解出每一維度的模型之后，程序?qū)⑸身憫?yīng)圖解，如圖4 所示圖4:使用“設(shè)計情形”設(shè)置多參數(shù)靈敏度研究圖5:“健壯"的

11、優(yōu)化算法能夠確定最佳設(shè)計方向i空 or V圖6:帶有多個極小值的靈敏度圖解使用SolidWorks進(jìn)行優(yōu)化SolidWorks Simulation使用了基于“實驗設(shè)計"的優(yōu)化方式。要求解某一問題，工程師會提供其維度設(shè)計變量的最大值和最小值，然后選擇“標(biāo)準(zhǔn)"(Standard)或“高質(zhì)量"(High Quality)優(yōu)化方式。“標(biāo)準(zhǔn)"方式假設(shè)限制值之間的目標(biāo)響應(yīng)曲線是線性的，只計算這些值處的響應(yīng)?！案哔|(zhì)量"優(yōu)化會考慮到在限制值之間存在二階響應(yīng)的可能性，除了極大、極小值之外還會求一個中間值。圖7顯示了隨三圓角的尺寸變化而自動執(zhí)行的汽車懸架設(shè)計迭代

12、過程。這一情況下，設(shè)計約束是不超出材料在靜態(tài)載荷下的屈服強度。圖7:在不同圓角半徑下對主軸形狀的優(yōu)化SolidWorks Simulation優(yōu)化研究會為每一變量生成表征最佳配置的單一值。為了在采用此方法時獲得最高的準(zhǔn)確度，工程師應(yīng)該細(xì)化每一變量的取值范圍，并進(jìn)行二次優(yōu)化或靈敏度研究。由此，他可以借助優(yōu)化程序快速、有效地了解如何改善自己的產(chǎn)品，并且實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。進(jìn)行優(yōu)化的最佳時機負(fù)責(zé)優(yōu)化的工程師如果能在設(shè)計過程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過程，將能最大限度地提高技術(shù)利用價值。隨著設(shè)計過程的進(jìn)展，設(shè)計的復(fù)雜性會越來越高，更 改也將越來越難于評估和實施。在設(shè)計的概念階段，工程師能夠借助于優(yōu)化，確保為基礎(chǔ)設(shè)

13、計提供準(zhǔn)確的材料、壁厚、硬化特征和扣緊方式等等。研究表明， 產(chǎn)品成本的80%是在設(shè)計過程的最初20%階段確定的。為了確保參與競爭的產(chǎn)品發(fā)揮出最佳效果，很值得在產(chǎn)品開發(fā)的最早期階段考察一下理想配置。除了 在設(shè)計過程的早期階段執(zhí)行優(yōu)化過程這一點很重要之外，優(yōu)化在設(shè)計過程的后期也有自己的用武之地，工程師能夠借助于這一手段解決問題或改善某個特征。優(yōu)化中CAD與分析之間的聯(lián)系上述所有內(nèi)容涉及的都是受“有限元分析"驅(qū)動的優(yōu)化，而“有限元分析"通常與生成設(shè)計的CAD程序密切相關(guān)。CAD系統(tǒng)對優(yōu)化同樣非常重要，原因在于生成模型、尺寸標(biāo)注方案以及嵌入關(guān)系的方法會影響設(shè)計師對不同設(shè)計方案的考察

14、能力。在創(chuàng)建自己的模型時，工程師所考慮的尺寸應(yīng)能允許修改那些以前 經(jīng)過優(yōu)化的特征，同時不會導(dǎo)致任何模型重建錯誤。規(guī)劃過程對優(yōu)化至關(guān)重要。設(shè)計師最好能先完全圍繞優(yōu)化目的生成 CAD模型，然后再借助于這一過程所收集的信息來完成對CAD模型的細(xì)節(jié)設(shè)計與生產(chǎn)。零部件和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性應(yīng)該是他在選擇要研究的特征時所考慮的問題。耐用而質(zhì)量更輕的裝配體，其開發(fā)時間卻只占正常開發(fā)時間的一小部分。“我們發(fā)現(xiàn)SolidWorks Simulation是一個非常健壯的軟件包，它幫助我們按期實現(xiàn)最大限度地利用優(yōu)化過程那些打算將優(yōu)化過程作為設(shè)計與產(chǎn)品的改善手段的工程師需要清除他們頭腦中任何先入為主的有關(guān)“最優(yōu)化"

15、的概念。要實現(xiàn)這一目的，很大程度上可以 先由優(yōu)化程序提供相關(guān)信息，然后再由他們來了解各種數(shù)據(jù)的不同含義。針對同一問題，思想開放的設(shè)計師可能會發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工具提供了幾個不同的解決方案一 對這些解決方案，需要參照最終獲得質(zhì)量最好、最贏利的產(chǎn)品的制造要求和效率來加以考慮。圖&用于NASA火星探險漫游車（MER）任務(wù)的機械臂優(yōu)化方面的成功故事Alliance Space Systems位于加州Pasadena的Alliance Space Systems, Inc. （ASI）為航天器和科學(xué)儀器設(shè)計與制造機械系統(tǒng)、機器人、機械結(jié)構(gòu)與裝置。最為著名的是，ASI為NASA!向火星探險漫游車（Mars

16、Exploration Rover ，MER任務(wù)所開發(fā)的大獲成功的勇氣號和機遇號漫游車制作了機械臂。ASI使用集成的SolidWorks Simulation軟件來測試并優(yōu)化零部件和裝配體的設(shè)計?！拔覀儗γ恳豢说闹亓?、每一毫米的空間都斤斤計較，"ASI的工程總監(jiān)Brett Lindenfeld 說。“因為我們的分析人員使用 SolidWorks Simulation進(jìn)行應(yīng)力分析和熱分析，他們能夠為我們的設(shè)計人員提供支持，并與設(shè)計人員展開有效的協(xié)作，以便對設(shè)計加以優(yōu)化。我們的團(tuán)隊將機械臂的體積減少了20%這相當(dāng)于汽車的發(fā)動機和傳動裝置所需要的空間；同時將返工工作量保持在1%之內(nèi)。雖然時

17、間很緊，但我們?nèi)匀煌瞥隽速|(zhì)量更高、更具創(chuàng)新性的設(shè)計?！盞adant Johnson位于密歇根州Three Rivers 的Kadant Johnson （前身是The JohnsonCorporation ）為流程工業(yè)所用的流體和熱交換設(shè)備設(shè)計與制造先進(jìn)的流程控制系 統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭、彎管和加熱系統(tǒng)以及相關(guān)的零部件。產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān) Alan Ives及其團(tuán)隊需要優(yōu)化高速造紙機干燥部分所用的旋轉(zhuǎn)接頭和彎管裝配體的設(shè)計。采 用手工計算和現(xiàn)有“有限元分析"軟件對已經(jīng)成型的設(shè)計進(jìn)行細(xì)化，這會非常浪費時間，他們無法承擔(dān)這樣做的成本。該團(tuán)隊需要新的工程解決方案，以便實 現(xiàn)節(jié)約時間與提高設(shè)計投資回報率的目的。圖9:彎管裝配體在The Johnson Company得到了優(yōu)化該公司使用SolidWor