solidworks有限元分析使用教程課件(PPT 38頁)

1、solidworks有限元分析使用教程系統(tǒng)之家下載站 / 第1頁，共38頁。有限元分析是軟件中非常強(qiáng)大的一個(gè)功能，如果要使用好這個(gè)功能必須結(jié)合自身的很多知識(shí)才能運(yùn)用好，有限元分析不同于繪圖，它需要有材料力學(xué)、理論力學(xué)、高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。下面就給大家簡單介紹進(jìn)行有限元分析的方法和步驟。 第2頁，共38頁。solidworks有限元分析應(yīng)用于機(jī)械、汽車、家電、電子產(chǎn)品、家具、建筑、醫(yī)學(xué)骨科等產(chǎn)品設(shè)計(jì)及研發(fā)。其作用是：確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的安全合理性，同時(shí)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本; 在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題; 模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi); 是產(chǎn)品設(shè)計(jì)研

2、發(fā)的核心技術(shù)?？窗寰W(wǎng)根據(jù)超過十年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，提醒各位朋友，有限元分析，不同于繪圖。以下是看板網(wǎng)總結(jié)的solidworks有限元分析使用方法，希望對(duì)大家有用。 第3頁，共38頁。一、軟件形式：（一）solidworks的內(nèi)置形式：SimulationXpress只有對(duì)一些具有簡單載荷和支撐類型的零件的靜態(tài)分析。第4頁，共38頁。（二）SolidWorks的插件形式：SimulationWorks Designer對(duì)零件或裝配體的靜態(tài)分析。SimulationWorksProfessional對(duì)零件或裝配體的靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、扭曲、頻率、掉落測(cè)試、優(yōu)化、疲勞分析。SimulationWork

3、s AdvancedProfessional在SimulationWorksProfessional的所有功能上增加了非線性和高級(jí)動(dòng)力學(xué)分析。第5頁，共38頁。（三）單獨(dú)發(fā)行形式：Simulation DesignSTAR功能與SimulationWorks Advanced Professional相同。第6頁，共38頁。二、使用FEA的一般步驟：FEA=Finite Element Analysis是一種工程數(shù)值分析工具，但不是唯一的數(shù)值分析工具！其它的數(shù)值分析工具還有：有限差分法、邊界元法、有限體積法等等。第7頁，共38頁。方法與步驟（一）建立數(shù)學(xué)模型有時(shí)，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)

4、格劃分的需要，（即從CAD幾何體FEA幾何體），共有下列三法：1、特征消隱：指合并和消除在分析中認(rèn)為不重要的幾何特征，如外圓角、圓邊、標(biāo)志等。第8頁，共38頁。2、理想化：理想化是更具有積極意義的工作，如將一個(gè)薄壁模型用一個(gè)平面來代理（注：如果選中了“使用中面的殼網(wǎng)格”做為“網(wǎng)格類型”，SimulationWorks會(huì)自動(dòng)地創(chuàng)建曲面幾何體）。 第9頁，共38頁。3、清除：因?yàn)橛糜趧澐志W(wǎng)格的幾何模型必須滿足比實(shí)體模型更高的要求。如模型中的細(xì)長面、多重實(shí)體、移動(dòng)實(shí)體及其它質(zhì)量問題會(huì)造成網(wǎng)格劃分的困難甚至無法劃分網(wǎng)格這時(shí)我們可以使用CAD質(zhì)量檢查工具（即SW菜單： ToolsCheck）來檢驗(yàn)問題所

5、在，另外含有非常短的邊或面、小的特征也必須清除掉（小特征是指其特征尺寸相對(duì)于整個(gè)模型尺寸非常??！但如果分析的目的是找出圓角附近的應(yīng)力分布，那么此時(shí)非常小的內(nèi)部圓角應(yīng)該被保留）。 第10頁，共38頁。（二）建立有限元模型，即FEA的預(yù)處理部分，包括五個(gè)步驟：1、選擇網(wǎng)格種類及定義分析類型（共有靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、頻率等八種類別）這時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)FEA算例，左側(cè)瀏覽器中之算例名稱之后的括號(hào)里是配置名稱；第11頁，共38頁。2、添加材料屬性： 材料屬性通常從材料庫中選擇，它不并考慮缺陷和表面條件等因素，與幾何模型相比，它有更多的不確定性。 第12頁，共38頁。（1）右鍵單擊“實(shí)體文件夾”并選擇“應(yīng)用材料到所

6、有”所有零部件將被賦予相同的材料屬性。（2）右鍵單擊“實(shí)體文件夾”下的某個(gè)具體零件文件夾并選擇“應(yīng)用材料到所有實(shí)體”某個(gè)零件的所有實(shí)體（多實(shí)體）將被賦予指定的材料屬性。（3）右鍵單擊“實(shí)體文件夾”下具體零件的某個(gè)“Body”并選擇“應(yīng)用材料到實(shí)體”只有該“Body”被賦予指定的材料屬性。第13頁，共38頁。3、施加約束：定義約束是最容易產(chǎn)生誤差的地方。通常的誤差來自于過約束模型，其后果是：結(jié)構(gòu)過于剛硬并低估了實(shí)際變形量和應(yīng)力值。對(duì)裝配體而言，還要定義“接觸/間隙”這種特殊的“約束”。約束的目的是禁止模型的剛體位移。在SimulationWorks中共有十種約束（不包括“接觸/間隙”）。它也意味

7、著處于指定的“點(diǎn)、線、面”上的全部這些節(jié)點(diǎn)所受到的約束。約束符號(hào)中的箭頭表示“平移”約束，而圓盤則表示“回轉(zhuǎn)”約束（實(shí)體單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有3個(gè)移動(dòng)自由度，而殼單元有6個(gè)自由度）。對(duì)“Solid mesh”而言，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)無轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以選擇“固定”和“不可移動(dòng)”的效果是完全一樣的。定義完約束之后，模型的空間位置就被固定下來了。此時(shí)，模型不可能再發(fā)生除彈形變形之外的位移（在FEA的靜態(tài)分析中，可能存在的也只能是彈形位移），稱之為“模型沒有剛體位移”。第14頁，共38頁。4、定義載荷：在現(xiàn)實(shí)中，只能大概地知道載荷的大小、分布、時(shí)間依賴關(guān)系。所以，必須在FEA分析中通過簡化的假設(shè)做出近似的估計(jì)。因此

8、，定義載荷會(huì)產(chǎn)生較大的建模誤差（理想化誤差）。注：前面的四項(xiàng)統(tǒng)稱為FEA分析的“預(yù)處理”，它們的不確定性程度從高到低依次為：約束、載荷、材料、幾何模型。第15頁，共38頁。5、網(wǎng)格劃分：（1）SimulationWorks中只有兩類單元：一階單元（草稿品質(zhì)單元）和二階單元（高品質(zhì)單元）?；颍簩?shí)體四面體單元和三角形殼單元。這樣，SimulationWorks共有四種單元類型：一階實(shí)體四面體單元（只有4個(gè)角節(jié)點(diǎn)，1個(gè)高斯點(diǎn)）、二階實(shí)體四面體單元（有4個(gè)角節(jié)點(diǎn)和6個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)節(jié)點(diǎn)，4個(gè)高斯點(diǎn)）、一階三角形殼單元（只有3個(gè)角節(jié)點(diǎn)，1個(gè)高斯點(diǎn)）、二階三角形殼單元（有3個(gè)角節(jié)點(diǎn)和3個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，共

9、計(jì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)高斯點(diǎn)）這里的四面體不一定是正四面體，而三角形也不一定是正三角形。此外，二階單元的邊和面都可以是曲線形狀，以模擬單元因加載而變形的實(shí)際情形。第16頁，共38頁。（2）單元的品質(zhì)可通過SW菜單： SimulationWorksOptions選Mesh標(biāo)簽（3）一般FEA中擁有最少節(jié)點(diǎn)的單元是橫梁單元，它只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)（即梁的兩個(gè)端點(diǎn)），但每個(gè)節(jié)點(diǎn)處均有6個(gè)自由度（即三個(gè)平移分量加三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移分量）。第17頁，共38頁。（4）二階實(shí)體四面體單元和二階三角形殼單元適用于曲線形的幾何體。（5）某些類型的形狀既可以使用實(shí)體單元也可以使用殼單元，具體選用什么類型的單元取決于分析的目的。然而，

10、通常情況下，幾何體的天然形狀決定了所使用的單元類型，比如，一些鑄件只能用實(shí)體網(wǎng)格劃分，而一張金屬板材最好使用殼單元。第18頁，共38頁。（6）有限單元網(wǎng)格中的自由度是指單元節(jié)點(diǎn)的自由度。實(shí)體單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度（三個(gè)平移分量），殼單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度（三個(gè)平移分量加三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移分量）。節(jié)點(diǎn)的位移即為這些分量的幾何合成矢量。（7）在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，單元在匹配幾何體的過程中會(huì)經(jīng)歷變形扭曲，但過度的扭曲會(huì)導(dǎo)致單元的惡化，從而導(dǎo)致計(jì)算量徒增和計(jì)算精度大大地降低，甚至?xí)o法計(jì)算。為此，需要通過控制默認(rèn)單元的大?。碨W菜單： SimulationWorksMeshCreate，其中：Coar

11、se對(duì)應(yīng)大，F(xiàn)ine對(duì)應(yīng)?。┗驊?yīng)用局部網(wǎng)格控制（即SW菜單： SimulationWorksMeshApply Control）來避免單元的過度扭曲。（8）網(wǎng)格質(zhì)量保證：包括長寬比檢查和Jacobian檢查， 這些檢查由程序自動(dòng)執(zhí)行。第19頁，共38頁。長寬比檢查：正四面體的長寬比通常被用做計(jì)算其它單元的長寬比。一個(gè)單元的長寬比定義為：四面體的最長邊的長度值/四面體的頂點(diǎn)到其相對(duì)面的法向距離的最小長度值。這里，頂點(diǎn)的相對(duì)面需用正四面體正則化，并假定四面體的4個(gè)角點(diǎn)之間用直線相連。非常小的正四面體單元的長寬比可近似地認(rèn)為是1.0。作為長寬比檢查的一部分，SimulationWorks還自動(dòng)執(zhí)行邊

12、長檢查、內(nèi)切圓和外接圓檢查，以及法向長度檢查。 第20頁，共38頁。Jacobian檢查：即檢查雅可比行列式的值，用于判斷單元的彎曲程度。一個(gè)極端扭曲單元的雅可比行列式是負(fù)值，而負(fù)的雅可比行列式會(huì)導(dǎo)致FEA程序的終止。Jacobian檢查是基于一系列點(diǎn)（高斯點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)），這些點(diǎn)位于每個(gè)單元中。通常情況下，雅可比率小于或等于40是可以接受的。SimulationWorks會(huì)自動(dòng)調(diào)整扭曲單元的中節(jié)點(diǎn)位置，以確保所有的單元能通過雅可比檢查。在二次單元中，單元邊界上的中節(jié)點(diǎn)放置在真實(shí)的幾何體上；但在尖劈和彎曲邊界，將中節(jié)點(diǎn)放置在真實(shí)幾何體上會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生邊緣下相互重疊的扭曲單元。對(duì)正四面體而言，所有中節(jié)點(diǎn)均

13、精確地定位在直邊中點(diǎn)，其雅可比率為1.0，隨著邊緣曲率的增加，其雅可比率也增大。Jacobian檢查設(shè)置可通過SimulationWorksoptionsMesh標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)。 第21頁，共38頁。（9）局部網(wǎng)格控制：由三個(gè)參數(shù)來控制所選實(shí)體的單元尺寸、層與層之間的單元尺寸比、受局部優(yōu)化影響的單元層數(shù)。它們的缺省值分別為2.2、1.5、3。網(wǎng)格控制可用在點(diǎn)（頂點(diǎn)）、線（邊界）、面（表面）、及裝配體組件上。三個(gè)控制參數(shù)可通過命令：SimulationWorksMeshApply Control來實(shí)現(xiàn)。為了找出仍在工作的最大單元，可勾選SimulationWorksoptionsMesh標(biāo)簽中的Au

14、tomatic Looping選項(xiàng)，“自動(dòng)為實(shí)體循環(huán)”功能要求網(wǎng)格劃分程序利用更小的全局單元尺寸網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行重新劃分，用戶可以控制：循環(huán)實(shí)驗(yàn)的最大次數(shù)、全局單元尺寸每次減少的幅度、公差。 第22頁，共38頁。對(duì)于應(yīng)用于組件的網(wǎng)格控制由“Componentsignificance （零件有效數(shù)）”來定義，對(duì)于不同的Slide位置，指示網(wǎng)格劃分程序選用不同的單元尺寸來對(duì)每個(gè)選定的組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。但如果“use same element size”已勾選，那么所有組件均按“網(wǎng)格控制”窗口中指定相同單元尺寸來進(jìn)行劃分。 第23頁，共38頁。（10）實(shí)際的網(wǎng)格劃分過程，共分三個(gè)步驟：第一步，評(píng)估幾何

15、模型檢查CAD幾何體有無缺陷；第二步，處理邊界即先將節(jié)點(diǎn)置于邊界上，這一步被稱做表面劃分；第三步，創(chuàng)建網(wǎng)格用四面體單元來填充實(shí)體體積。第24頁，共38頁。（11）如果第一步失敗，則最有可能的是幾何模型錯(cuò)誤，為了驗(yàn)證幾何模型是否錯(cuò)誤，以IGES輸出模型，觀察是否出現(xiàn)錯(cuò)誤信息“處理修整的表面實(shí)體失敗”。（12）如果第二步失敗，分兩種情況：i.在進(jìn)度指示條到達(dá)最右端之前出現(xiàn)錯(cuò)誤，則說明至少在一個(gè)面上的劃分出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)，右鍵單擊網(wǎng)格，選擇“失敗診斷”，以找出有問題的表面，再有分割線或網(wǎng)格控制來幫助劃分該表面；ii.在進(jìn)度指示條到達(dá)最右端之后且在第三步開始之前出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)，需要將公差從5%（默認(rèn)）到

16、10%對(duì)單元尺寸進(jìn)行增加后重新劃分網(wǎng)格，但如果公差為10%時(shí)仍舊失敗，則可以繼續(xù)增加公差，但最大不要超過25%。設(shè)置命令為：SimulationWorksMeshCreate第25頁，共38頁。（13）如果第三步失敗，則表明錯(cuò)誤發(fā)生在體積填充階段。此時(shí)，可將單元尺寸公差從5%減少到1%，如果仍然失敗，則可以25%的幅度減少單元尺寸，并設(shè)公差為1%.（14）“失敗診斷”工具只對(duì)實(shí)體單元有效，對(duì)殼單元不起作用。（15） 從2008版開始，SimulationWorks實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)“局部網(wǎng)格控制”，因而“網(wǎng)格劃分”完全不再需要人工干預(yù)。第26頁，共38頁。（三）求解有限元模型在結(jié)構(gòu)分析中，F(xiàn)EA首先計(jì)

17、算的是網(wǎng)格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移（矢量），再在此基礎(chǔ)上計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力等其它物理量；在熱分析中，F(xiàn)EA首先計(jì)算的是網(wǎng)格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度（標(biāo)量），再在此基礎(chǔ)上計(jì)算溫度梯度和熱流等其它物理量。第27頁，共38頁。一般如果模型可劃分網(wǎng)格，那么它就可以求解，但如果沒有定義材料或載荷，則求解會(huì)終止。解算器也可檢查出由于約束不足而引起的剛體運(yùn)動(dòng)。但剛體運(yùn)動(dòng)可用解算器選項(xiàng)來處理，比如，使用軟彈簧來穩(wěn)定模型，或使用平面內(nèi)作用、慣性卸除。影響選擇合適的解算器的五個(gè)因素： 第28頁，共38頁。1、問題的大小通常，F(xiàn)FEPlus在處理自由度（DOF）超過100，000時(shí)，速度比較快。FFEPlus隨著問題的變大會(huì)變得更有效

18、率。2、計(jì)算機(jī)資源在計(jì)算機(jī)可用的內(nèi)存足夠多時(shí)，DirectSparse解算器的速度比較快。3、分析選項(xiàng)；4、單元類型；5、材料屬性當(dāng)模型中使用的材料彈性模量差異較大時(shí)（比如鋼和尼龍），F(xiàn)FEPlus（迭代法）求解比DirectSparse（直接法）求解的精度低。第29頁，共38頁。如果不能確定選擇哪個(gè)解算器是分析的最佳選擇時(shí)，可將解算器的類型設(shè)為“自動(dòng)”。選擇求解器的命令為：SimulationWorksOptions選Results標(biāo)簽。第30頁，共38頁。（四）結(jié)果分析對(duì)結(jié)果的正確解釋需要我們熟悉理解：i）。各種假設(shè)，如在靜態(tài)分析中的材料線性假設(shè)、小變形假設(shè)、靜態(tài)載荷假設(shè)；ii）。簡化約定；iii）。前面三步中產(chǎn)生的誤差，如建模誤差（也稱理想化誤差）、離散誤差（劃分網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生的誤差）、數(shù)值誤差（求解過程中產(chǎn)生的誤差）。在這三種誤差當(dāng)中，只有離散化誤差是FEA特有的，故只有這個(gè)誤差能夠在使用FEA時(shí)被控制網(wǎng)格單