1、目 录第六章 Simulation 有限元分析 .26.1 Simulation基础知识 26.1.1 有限元法概述 26.1.2 Simulation概述 .26.1.3 Simulation使用指导 .46.1.4 Simulation有限元分析的一般步骤 .86.2 SimulationXPress应力分析 106.3 Simulation结构有限元分析 176.3.1 轴静态分析 176.3.2 夹钳装配体静态分析 446.4 Simulation优化分析 626.4.1 优化设计概述 626.4.2 优化设计基础知识 626.4.3 轴的优化分析 636.5 小结 .74第六章 Si
2、mulation 有限元分析在制造业中，为了缩短产品设计周期，提高产品质量，广泛采用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE） ，机械设计已逐渐实现了由静态、线性分析向动态、非线性分析的过渡，由经验类比向最优设计的过渡。CAE 在产品开发研制中显示出了无与伦比的优越性，使其成为现代企业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件，因而越来越受到科技界和工程界的重视。在 CAE技术中，有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是应用最为广泛、最为成功的一种数值分析方法。SolidWorks Simulation 即是一款基于有限元（即 FEA
3、数值）技术的分析软件，通过与 SolidWorks的无缝集成，在工程实践中发挥了愈来愈大的作用。6.1 Simulation基础知识6.1.1 有限元法概述有限元法（Finite Element Method，FEM）是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。有限元法的基本思路可以归结为：“化整为零，积零为整” 。它将求解域看成是由有限个称为单元的互连子域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导出求解这个总域的满足条件（如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。这个解不是
4、准确解而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能够适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段，甚至成为 CAE的代名词。在机械工程中，有限元法已经作为一种常用的方法被广泛使用。凡是计算零部件的应力、变形和进行动态响应计算及稳定性分析等都可用有限元法。如进行齿轮、轴、滚动轴承及箱体的应力、变形计算和动态响应计算，分析滑动轴承中的润滑问题，焊接中残余应力及金属成型中的变形分析等。6.1.2 Simulation概述Simulation是 SolidWorks公司的黄金合作伙伴之一 SRAC（Structural Resear
5、ch & Analysis Corporation）公司推出的一套功能强大的有限元分析软件。SRAC 成立于 1982年，是将有限元分析带入微型电脑上的典范。1995 年，SRAC 公司与 SolidWorks公司合作开发了 COSMOSWorks软件，从而进入工程界主流有限元分析软件的市场，并成为SolidWorks公司的金牌产品之一。它作为嵌入式分析软件与 SolidWorks无缝集成，成为了顶级销量产品。2001 年，整合了 SolidWorks CAD软件的 COSMOSWorks软件在商业上所取得的成功使其获得了 Dassault Systems（达索公司， SolidWorks的母
6、公司）的认可。2003年，SRAC 与 SolidWorks公司合并。COSMOSWorks 的 09版更名为 SolidWorks Simulation。Simulation与 SolidWorks全面集成，从一开始，就是专为 Windows操作系统开发的，因而具有许多与 SolidWorks一样的优点，如功能强大，易学易用。运用 Simulation，普通的工程师就可以进行工程分析，并可以迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。其基本模块能够提供广泛的分析工具来检验和分析复杂零件和装配体，它能够进行应力分析、应变分析、热分析、设计优化、线
7、性和非线性分析等。Simulation有不同的软件包以适应不同用户的需求。除了 SolidWorks SimulationXpress程序包是 SolidWorks的集成部分外，其他所有的 Simulation软件程序包都是插件形式的。不同程序包的主要功能如下：1. SolidWorks SimulationXpress能对带有简单载荷和支撑的零件进行静态分析，只有在 Simulation插件未启动时才能使用。2. SolidWorks Simulation能对零件和装配体进行静力分析。Simulation 是专门为那些非设计验证领域专业人士的设计师和工程师量身定做的，该软件可以在 Solid
8、Works模型制造之前指明其运行特性，从而保证产品质量。Simulation完全嵌入在 SolidWorks界面中，因此任何能够运用 SolidWorks设计零件的人都可以对零件进行分析。使用 Simulation可以实现以下功能： 轻松快速地比较备选设计方案，从而选择最佳方案。 研究不同装配体零件之间的交互作用。 模拟真实运行条件，以查看模型如何处理应力、应变和位移。 使用简化验证过程的自动化工具，节省在细节方面所花费的时间。 使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果。 与参与产品开发过程的所有人员协作并分享结果。3. SolidWorks Simulation Professional能进
9、行零件和装配体的静态、热力、扭曲、频率、掉落测试、优化和疲劳分析。使用Simulation Professional可以实现以下功能： 分析运动零件和接触零件在装配体内的行为。 执行掉落测试分析。 优化模型以满足预先指定的设计指标。 确定设计是否会因扭曲或振动而出现故障。 减少因制造物理原型而造成的成本和时间延误。 找出潜在的设计缺陷，并在设计过程中尽早纠正。 解决复杂的热力模拟问题。 分析设计中因循环载荷产生的疲劳而导致的故障。4. SolidWorks Simulation Premium除包含有 Simulation Professional的全部功能外，还能进行非线性和动力学分析。它为
10、经验丰富的分析员提供了多种设计验证功能，以应对棘手的工程问题，例如非线性分析等。使用 Simulation Premium可以实现以下如下功能： 对塑料、橡胶、聚合物和泡沫执行非线性分析。 对非线性材料间的接触进行分析。 研究设计在动态载荷下的性能。 了解复合材料的特性。6.1.3 Simulation使用指导1. 启动 Simulation插件如果已正确安装 Simulation，但在 SolidWorks的菜单栏中没有 Simulation菜单，可选择菜单栏【工具】【插件】命令或单击【选项】按钮右边的倒三角并选择【插件】命令。系统弹出【插件】对话框，在对话框中勾选【SolidWorks S
11、imulation】选项，如图6-1所示。菜单栏中即可显示【Simulation】菜单，同时在常用工具栏中也会出现【Simulation】菜单，SolidWorks Simulation 的界面如图 6-2所示。图 6-1 启动 Simulation插件图 6-2 Simulation界面注意：如果只勾选了【Simulation】选项前面的方框，则当重新启动 SolidWorks时，需要按上面的步骤重新操作才能在菜单栏中显示【Simulation】菜单；如果同时勾选了【SolidWorks Simulation】选项后面的方框，则 Simulation会随着 SolidWorks一起启动，Si
12、mulation菜单会自动出现在菜单栏中。2. SolidWorks Simulation选项选择菜单栏【Simulation】【选项】命令，系统弹出【系统选项】对话框。用户可以在此定义分析中使用的标准。该对话框有两个选项，即【系统选项】和【默认选项】 。图 6-3 Simulation系统选项 系统选项系统选项面向所有算例，包含出错信息、夹具符号、网格颜色、结果图解、字体设置和默认数据库的存放位置等，如图 6-3所示。 默认选项默认选项只针对当前建立的算例。在此，可以设置单位、载荷/夹具、网格、结果、图解和报告等。以【图解】设置为例，静态分析之后，Simulation 会自动生成三个结果图解
13、：应力 1、位移 1和应变 1。用户可以通过【图解】设置自动生成哪些结果图解及显示格式，并且可以通过右击算例结果项添加新图解，如图 6-4所示。图 6-4 Simulation默认选项3. SolidWorks Simulation中的单元类型SolidWorks Simulation用四面体实体单元划分实体几何体，而用三角形壳单元划分几何面。与此对应，Simulation 中有四种单元类型：一阶实体四面体单元、二阶实体四面体单元、一阶三角形壳单元和二阶三角形壳单元。在 SolidWorks Simulation中，称一阶单元为【草稿品质】单元，二阶单元为【高品质】单元。由于二阶单元具有较好的
14、绘图能力和模拟能力，推荐用户对最终结果和具有曲面几何体的模型使用高品质选项，并且 Simulation默认选择即为高品质。在进行快速评估时可以使用草稿品质网格化，以缩短运算时间。4. 等效应力（也称为 von Mises 应力）由材料力学可知，反映应力状态的微元体上剪应力等于零的平面，定义为主平面。主平面的正应力定义为主应力。受力构件内任一点，均存在三个互相垂直的主平面。三个主应力用 l、2 和 3 表示，且按代数值排列即 l23。von Mises 应力可以表示为： = 0.5（ l- 2） +（ 2- 3） +（ 3- 1） 在 Simulation中，主应力被记为 P1、P2 和 P3，
15、如图 6-5所示。在大多数情况下，使用 von Mises 应力作为应力度量。因为 von Mises 应力可以很好地描述许多工程材料的结构安全弹塑性性质。P1 应力通常是拉应力，用来评估脆性材料零件的应力结果。对于脆性材料，P1 应力较 Von Mises 应力更恰当地评估其安全性。P3 应力通常用来评估压应力或接触压力。图 6-5 主应力图解Simulation程序使用 von Mises 屈服准则计算不同点处的安全系数，该标准规定当等效应力达到材料的屈服力时，材料开始屈服。程序通过在任意点处将屈服力除以 von Mises应力而计算该处的安全系数。安全系数值的解释： 某位置的安全系数小于
16、 1.0 表示此位置的材料已屈服，设计不安全。 某位置的安全系数等于 1.0 表示此位置的材料刚开始屈服。 某位置的安全系数大于 1.0 表示此位置的材料没有屈服。6.1.4 Simulation有限元分析的一般步骤不管项目多复杂或应用领域多广，无论是结构、热传导还是声学分析，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。1. 有限元求解问题的基本思想 建立数学模型Simulation对来自 SolidWorks的零件或装配体的几何模型进行分析。该几何模型必须能够用正确的、适度小的有限单元进行网格划分。对于小的概念，并不是指它的单元尺寸，而是
17、表示网格中单元的数量。对网格的这种要求，有着极其重要的含义。必须保证CAD几何模型的网格划分，并且通过所产生的网格能得到正确的数据，如位移、应力、温度分布等。通常情况下，需要修改 CAD几何模型以满足网格划分的要求。这种修改可以采取特征消隐、理想化或清除等方法： 特征消隐特征消隐指合并或消除分析中认为不重要的几何特征，如外倒角、圆边、标志等。 理想化理想化是更具有积极意义的工作，它也许偏离了 CAD几何模型的原貌，如将一个薄壁模型用一个面来代替。 清除清除有时是必须的，因为可划分网格的几何模型必须满足比实体建模更高的要求。可以使用 CAD质量控制工具来检查问题所在。例如，CAD 模型中的细长面
18、（即长比宽大得很多的面，好像是一条线的面）或多重实体（即多个实体） ，会造成网格划分困难甚至无法划分网格。通常情况下，对能够进行正确网格划分的模型采取简化，是为了避免由于网格过多而导致分析过程太慢。修改几何模型是为了简化网格从而缩短计算时间。成功的网格划分不仅依赖于几何模型的质量，而且还依赖于用户对 FEA软件网格划分技术的熟练使用。 建立有限元模型通过离散化过程，将数学模型剖分成有限单元，这一过程称为网格划分。离散化在视觉上是将几何模型划分为网格。然而，载荷和支撑在网格完成后也需要离散化，离散化的载荷和支撑将施加到有限元网格的节点上。 求解有限元模型创建了有限元模型后，使用 Simulati
19、on的求解器来得出一些感兴趣的数据。 结果分析总的来说，结果分析是最困难的一步。有限元分析提供了非常详细的数据，这些数据可以用各种格式表达。对结果的正确解释需要熟悉和理解各种假设、简化约定以及在前面三步中产生的误差。创建数学模型和离散化成有限元模型会产生不可避免的误差：形成数学模型会导致建模误差，即理想化误差；离散数学模型会带来离散误差；求解过程会产生数值误差。在这三种误差中，建模误差是在 FEA之前引入的，只能通过正确的建模技术来控制；求解误差是在计算过程中积累的，难于控制，所幸的是它们通常都很小；只有离散化误差是 FEA特有的，也就是说，只有离散化误差能够在使用 FEA时被控制。简言之，有
20、限元分析可分为三个阶段：前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；求解是计算基本未知量；后处理则是采集处理分析结果，方便用户提取信息，了解计算结果。2. Simulation使用步骤以上介绍了 Simulation有限元分析的基本思想，在实际应用 Simulation进行分析时，一般遵循以下步骤：（1）创建算例对模型的每次分析都是一个算例，一个模型可以有多个算例。（2）应用材料向模型添加包含物理信息（如屈服强度）的材料。（3）添加约束模拟真实的模型装夹方式，对模型添加夹具（约束） 。（4）施加载荷载荷反映了作用在模型上的力。（5）划分网格模型被细分为有限个单元。（6）运行
21、分析求解计算模型中的位移、应变和应力。（7）分析结果分析解释计算所得数据。6.2 SimulationXPress应力分析SolidWorks SimulationXpress 为 SolidWorks 用户提供了一款初步的应力分析工具。通过在计算机上测试用户的设计，SimulationXpress 可帮助用户减少昂贵费时的实地测试，降低成本及减少投入市场的时间。SimulationXpress 支持对单实体的分析；对于多实体零件，可一次分析一个实体；对于装配体，可一次分析一个实体的物理模拟效应；不支持曲面实体。SimulationXpress 的向导界面将引导用户完成分析，其中优化分析是可选
22、项。图 6-6 “轴”模型本节以一个简单的 “轴”模型为例说明使用 SimulationXPress进行分析的基本操作，好让用户对通过 SolidWorks进行有限元分析有一个初步的印象，模型如图 6-6所示。选择菜单栏【工具】/【SimulationXPress】命令，向导启动 SimulationXPress，界面如图 6-7所示。图 6-7 SimulationXPress向导界面分析之前，可以设置单位系统和分析结果的保存位置。单击【欢迎】选项卡中的【选项】 ，在【单位系统】中设置单位，在【结果位置】中键入文件夹位置或单击以浏览至所要的文件夹，然后单击【确定】 。如有必要，选择【在应力图
23、解中为最大和最小值显示注解】复选项。 【欢迎】选项卡上将会出现选中复选符号，如图 6-8所示。图 6-8 SimulationXPress选项设置 应用材料可以在使用 SimulationXpress 时赋予材质，也可以在建模时直接将材料指定给零件。如果 SimulationXpress材料库中没有所需的材料，先退出 SimulationXpress，在SolidWorks中指定材料后重新开启 SimulationXpress， 【材质】选项卡上将会出现选中复选符号，如图 6-9所示。图 6-9 应用材料 添加约束在【约束】选项卡中定义固定约束。每个约束可以包含多个面，受约束的面在所有方向都受
24、到约束。必须至少约束零件的一个面，以防由于刚性实体运动而导致分析失败。在图形区域中，单击要约束的面，如图 6-10所示。单击【下一步】 ， 【约束】选项卡上将会出现选中复选符号，并出现夹具列表，可以单击适当按钮以添加、编辑或删除夹具。图 6-10 添加约束 施加载荷在【载荷】选项卡中，可以选择力或压力载荷类型。以【力】为例，在图形区域中，单击需要加载荷的面，然后单击【下一步】 。有两个单选项： 与每个所选面正交。在垂直于每个所选面的方向应用力。 与参考基准面正交。在垂直于所选的参考基准面方向应用力。如果选择此选项，则必须在 FeatureManager 设计树中选择一个参考平面。所指定力的数值
25、将应用至每个面。例如，如果选择 3 个面并指定 50 N的力，程序总共会应用 150 N的力（每个面 50 N） 。如需改变力的方向，勾选【反转方向】 ，如图 6-11所示。单击【下一步】 ， 【载荷】选项卡上将会出现选中复选符号，列表框将会列出所定义的力，可以单击适当按钮以添加，编辑或删除力。图 6-11 施加载荷 运行分析【分析】选项卡中有两个单选项，如图 6-12所示。 是（推荐）。按默认网格设置（默认单元大小和公差值） 不，我想更改设定。按更改的网格设置。如果选择更改默认设置，需输入所需值或拖动滑块调节。默认公差为指定单元大小的 5%，然后单击【下一步】 。在新的界面上单击【运行】 ，
26、开始进行应力分析，分析完成后向导自动切换到【结果】选项卡，如图 6-13所示。图 6-12 【分析】选项卡图 6-13 【结果】选项卡 优化零件完成了应力分析后，如有必要可以进行优化分析。在【结果】选项卡中单击【下一步】 ，在询问框中选择【是】 ，然后再单击【下一步】 。选择优化准则，输入目标值，如图 6-14所示，单击【下一步】 。图 6-14 选择优化准则选择想优化的尺寸（设计变量）并键入下界值（尺寸可允许的最小值）和上界值（尺寸所允许的最大值） ，如图 6-15所示。优化过程中可能会弹出窗口，警告违背了指定的约束，结果会偏离指定的值。当优化完成时， 【优化】选项卡上将会出现选中复选符号。
27、通过单击【设定】可以在初始设计和最终设计中切换，以观察比较优化前后的模型，单击【动画】中的【播放】可以动态的显示优化过程，如图 6-16所示。图 6-15 选择设计变量图 6-16 完成优化 查看结果完成应力分析（或优化分析）后，可以单击【结果】选项卡查看结果。 【结果】选项卡上的选中符号表示结果存在，并且可以查看当前的材料、夹具及载荷。当现有结果不属于当前材料、夹具或载荷时，SimulationXpress 窗口左下角会出现【更新】按钮。单击即会重新分析模型并计算新结果。可以在图 6-17所示的界面中选择一种图解类型，单击【下一步】 ，图形显示区即会显示相应的图解，如图 6-18所示。同时在
28、新界面中，可以选择播放或保存动画，如图 6-19所示。也可以生成 HTML报告或 eDrawings文件。图 6-17 选择结果类型图 6-18 应力图解图 6-19 动画操作从操作过程可以看出，SimulationXpress 操作简单，能进行初步的应力分析，但功能有限，使用中有局限性。SolidWorks Simulation可提供更多的高级分析功能，在下面的分析中，将使用 Simulation作为分析工具。6.3 Simulation结构有限元分析6.3.1 轴静态分析本节同样以“轴”模型为例，来详细说明使用 Simulation进行零件静态分析的基本操作，模型如图 6-6所示。由于细长
29、轴上有一个通孔，因此用力学的知识求解将会非常复杂，而使用 Simulation有限元分析求解则相当容易。完成本节的内容后，用户可以进一步探索Simulation的其他功能。1. 建立算例算例是由一系列参数定义的，这些参数完整的表述了物理问题的有限元分析。当对一个零件或装配体进行分析时，想得到它在不同工作条件下的反应就要求运行不同类型的分析。一个算例的完整定义包括以下几方面：分析类型、材料、负荷、约束、网格。在 SolidWorks中打开已有的 “轴”模型，如图 6-6所示。新算例可以由以下两种方法创建： 直接创建一个新的算例单击常用 Simulation工具栏上【算例】 下拉菜单中的【新算例】
30、按钮，系统弹出【算例】属性管理器，在【名称】输入框中自动生成“算例 1”名称，采用默认的名称。在【类型】选项下单击【静态】按钮 ，然后单击【确定 】按钮 完成新算例的创建，如图 6-20所示。当定义了一个算例，SolidWorks Simulation会自动创建一个算例文件夹和几个图标以及【算例 1】标签页。这几个图标其实是文件夹的形式，如图 6-21所示。 【实体】文件夹用来定义和指定材料属性， 【夹具】文件夹用来定义约束， 【网格】文件夹用来划分有限元网格。分析完成以后，还会创建【结果】文件夹和【报告】文件夹。图 6-20 【算例】属性管理器 图 6-21 Simulation Study
31、树 复制已有算例右击想要复制的算例标签页，在快捷菜单中选择复制。此时，系统弹出【定义算例名称】对话框，将算例重命名并选择所需的配置，如图 6-22所示，单击【确定】完成新算例的创建。这种方法在本质上是复制一个完全相同的算例并粘贴到一个空白算例中。图 6-22 【定义算例名称】对话框当在【算例 1】及其下的几个文件夹图标上右击时，均有【复制】命令，这说明不仅可以复制算例，而且可以从已有的算例中复制材料、夹具、外部载荷等。这要比在新算例中重新定义方便的多，也可以直接将欲复制的参数用鼠标拖动到新算例的标签页中。2. 应用材料在运行一个算例前，必需先定义模型的材料属性。在 Simulation 中定义
32、材料不会更新已在 SolidWorks 中为 CAD 模型分配的材料。在装配体中，每一个零件可以指定不同的材料。单击常用 Simulation工具栏中【应用材料】按钮 ，或在左侧 Simulation Study树中算例 1下的“轴”上右击鼠标，在弹出的快捷菜单中选择【应用/编辑材料】命令，如图6-23所示。系统弹出【材料】对话框，如图 6-24所示。有三种方法选择材料来源： 使用 SolidWorks材质：Simulation 将使用在 SolidWorks 中分配给零件的材料。 自定义：允许手工输入材料属性。 自库文件：库文件可以来自 Simulation materials或自定义的材料
33、库。图 6-23 选择【应用/编辑材料】命令图 6-24 【材料】对话框库文件包含了非常丰富的材料，一般情况下，可以在库文件中找到所需的材质。但如果材质库中没有所需的材料，用户可以自定义材质。在选中【自定义】单选项的情况下，用户可以在【材料】对话框的【属性】选项下输入所需的材料属性值，或者先选中一种库文件中的材料，然后编辑材料属性值。输入完成以后，单击【保存】 ，系统弹出【另存为】对话框，如图 6-25所示。在【文件名】中输入“国标钢号” ，默认文件格式为“*.sldmat” ，单击【保存】完成材质定义。此时“国标钢号”已经出现在【自库文件】下拉列表中，如图 6-26所示。需要注意的是，红色的
34、文字表示该属性对于激活的算例类型和材料模型是必需的，蓝色的文字表示该属性是可选的。图 6-25 【另存为】对话框 图 6-26 自定义的“国标钢号”材质由于 SolidWorks和 SolidWorks Simulation的材料库已经合并成一个数据库，因此此处定义的材质也可以在 SolidWorks中使用。此外，通过【工具】/【选项】/【系统选项】/【文件位置】命令，在【显示下项的文件夹】中选择【材质数据库】 ，可以看到刚刚保存材质的文件夹出现在【文件夹】显示栏中，如图 6-27所示。图 6-27 自动添加材质文件夹在本例中，将采用自定义的材质“45”钢。定义材料之后， Simulation
35、 Study树中零件名称“轴”上标上了复选标记，表示已经对零件应用了材料，如图 6-28所示。图 6-28 Simulation Study树3. 添加约束为了完成一个静态分析，模型必须被正确地约束。Simulation 提供了各种夹具来约束模型，一般而言，夹具可以应用到模型的面、边、顶点。夹具和约束分为【标准】和【高级】两类， 【标准】中的约束为常用类型，其属性如表 6-1所示。表 6-1 夹具类型夹具类型 属性固定几何体 所有的移动和转动自由度均被限制。其边界条件不需要给出沿某个具体方向的约束条件。滚柱/滑杆 约束指定平面能更自由的在平面上移动，但不能在平面上进行垂直方向移动。平面在施加载
36、荷下可能收缩或扩张。固定铰链 使用铰链约束来指定只能绕轴运动的圆柱面。圆柱面的半径和长度在载荷下保持常数。单击常用 Simulation工具栏中【夹具】 下拉菜单中的【固定几何体】 ，或在左侧Simulation Study树算例 1下的【夹具】文件夹上右击，在弹出的快捷菜单中选择【固定几何体】命令，如图 6-29所示。系统弹出【夹具】属性管理器，在【夹具的面、边线、顶点】选项中选择轴的端面，单击【确定】按钮 完成约束的添加,如图 6-30所示。在Simulation Study树中， 【夹具】文件夹下面出现“ ”图标，表示已经添加了约束，如图 6-31所示。图 6-29 选择夹具类型图 6-
37、30 【夹具】属性管理器及图形区显示图 6-31 Simulation Study树图 6-32 Simulation 的夹具符号当某个面添加了约束之后，就可以看到夹具符号出现在该面上。夹具符号分别用箭头和圆盘表示各方向的移动和转动自由度的限制。本例中选择【固定几何体】夹具类型，意味着所有的 6个自由度，包括三个移动自由度和三个转动自由度都被限制了。如果使用【滚柱/滑杆】夹具类型，那么转动自由度将不会受到限制，因而夹具符号只有箭头，没有圆盘，如图 6-32所示。4. 施加载荷：单击常用 Simulation工具栏中【外部载荷】 下拉菜单中的【压力】 ，或在左侧Simulation Study树
38、中算例 1下的【外部载荷】文件夹上右击，在弹出的快捷菜单中选择【压力】命令，如图 6-33所示。系统弹出【压力】属性管理器，在【类型】选项下点选【使用参考几何体】单选项，在【压强的面】选择轴的另一端面，在【方向的面、边线、基准面、基准轴】选项中选择上视基准面，并选择【垂直于基准面】选项。在【压强值】选项下输入压强值为 2E+006N/m2,其他设置如图 6-34所示，单击【确定】按钮 完成载荷的添加。在 Simulation Study树中， 【外部载荷】文件夹下面出现“ ”图标，如图 6-35所示。图 6-33 选择【压力】命令图 6-34 【压力】属性管理器及图形区显示图 6-35 Sim
39、ulation Study树5. 生成网格单击常用 Simulation工具栏中【运行】 下拉菜单中的【生成网格】按钮 ，或在左侧 Simulation Study树中算例 1下的【网格】文件夹上右击，在弹出的快捷菜单中选择【生成网格】命令，如图 6-36所示，系统弹出【网格】属性管理器，如图 6-37所示。图 6-36 选择【生成网格】命令 图 6-37 【网格】属性管理器在【网格密度】选项下，可以拖动滑杆调节网格大小，网格密度直接影响结果的精度。单元越小，离散误差越低，但相应的网格划分和求解时间越长。在大多数 Simulation分析过程中，默认的网格设置使离散化误差保持在可接受的范围内，
40、同时使计算时间较短。在【网格参数】选项下，单元大小和公差是系统根据 SolidWorks模型几何形状的特征自动建立的。公差的默认值为整体单元大小的 5%。在某些情况下，当网格划分失败时，提高公差可能会有所帮助。如果勾选【自动过渡】复选框，程序会对模型的细小特征、孔、圆角及其它细节自动应用网格控制。在对具有许多细小特征和细节的模型网格化之前消除选择【自动过渡】 ，可以避免生成大量不必要的单元，如图 6-38所示。图 6-38 【网格参数】选项 图 6-39 【高级】选项可以采用【高品质】或【草稿品质】的单元划分网格。二者的区别在于草稿品质网格使用一阶单元，而高品质网格使用二阶单元。默认的情况下都
41、是采用高品质单元。要想使用草稿品质的单元，可以进入【高级】选项勾选【草稿品质网格】复选框，如图 6-39所示。这里采用默认的设置，单击【确定】按钮 ,系统弹出【网格进展】窗口，如图 6-40所示。网格化结束之后，系统显示网格化的零件模型，如图 6-41所示。图 6-40 【网格进展】窗口 图 6-41 网格化的零件模型在 Simulation Study树中， 【网格】文件夹上标上了复选标记，表示已经对零件进行了网格化，如图 6-42所示。创建网格以后，通过右击【网格】文件夹并在快捷菜单中选择【细节】选项，系统就会弹出【网格细节】窗口，如图 6-43所示。图 6-42 Simulation S
42、tudy树 图 6-43 【网格细节】窗口6. 运行算例当完成应用材料、添加约束、施加载荷、对模型进行网格划分后，就可以进行分析了。单击常用 Simulation工具栏中的【运行】按钮 ，或在左侧 Simulation Study树中算例1文件夹上右击，选择【运行】命令，如图 6-44所示。系统开始进行分析并弹出运行进度窗口，窗口中会显示分析节点、单元以及自由度的数目，如图 6-45所示。图 6-44 【运行】命令 图 6-45 运行进度窗口7. 结果显示运行结束之后，Simulation Study 树中增加了【结果】文件夹，如图 6-46所示。图 6-46 Simulation Study
43、树默认情况下， 【结果】文件夹下有应力、位移和应变三个图解显示项，其图解分别如图6-47、图 6-48、图 6-49所示。可以看到最大 von Mises应力为 119Mpa，没有超出材料的屈服应力 355Mpa。如果增大载荷，超出材料的屈服应力时，系统会在图例中以红色箭头标记显示。图 6-47 应力图解图 6-48 位移图解图 6-49 应变图解在此基础上，可以添加安全系数图解。操作步骤如下：在【结果】文件夹上右击，在快捷菜单中选择【定义安全系数图解】命令 ，系统弹出【安全系数】属性管理器，操作步骤如图 6-50所示。图 6-50 定义安全系数图解在【零部件】中选择“所有” ， 【准则】中选
44、择“自动” ，单击【下一步】按钮 。属性管理器中【乘数】选项的含义是：输入用来计算所选应力极限的乘数。例如，如果对 2000 N/m2 的屈服强度应力极限应用乘数 0.5，设计检查将使用 0.5 x 2000 = 1000 N/m2 作为应力极限。此处采用默认的数值 1，单击【下一步】按钮，进入第三步。有两个单选项： 【安全系数分布】：绘制安全系数的分布，确定后的图解如图 6-51所示。 【安全系数以下的区域】：绘制低于指定的安全系数的区域，并以红色显示。高于指定的安全系数的区域则以蓝色显示，确定后的图解如图 6-52所示。图 6-51 安全系数分布图解图 6-52 安全系数以下的区域图解设置
45、完成以后， 【结果】文件夹下出现【安全系数图解】显示项，如图 6-53所示。用户可以根据需要，在各个图解之间进行切换。图 6-53 Simulation Study树通过列举反作用力可以验证平衡条件及求解的正确性。右键单击【结果】文件夹，在快捷菜单中选择【列举合力】选项，系统弹出【合力】属性管理器，如图 6-54所示。图 6-54 【合力】属性管理器及图形区显示在【选择面、边线或顶点】中选择轴的支撑面，并单击【更新】 。在【反作用力】一栏中列出了所选面及整个模型的反作用力结果。可以看到反作用力大小为 314N。通过简单计算，可以得出施加的力：F = PS 其中 P为施加的压力，S 为受力面积
46、S = 。hd21带入数值可知 F = PS = 314N从而可知，平衡可以得到满足，验证了平衡条件和求解的正确性。下面以【应力】选项为例说明常用操作。在属性管理器中双击“”或右击 ，在快捷菜单中选择“显示” ，即可显示图解，如图 6-55所示。在显示应力图解的情况下，右击 ，系统弹出快捷菜单，如图 6-56所示。在快捷菜单中，列出了常用的分析工具，可以选择不同命令，执行不同的操作。图 6-55 显示应力图解 图 6-56 常用的分析工具菜单 编辑定义在显示应力图解的情况下，右击 ，在快捷菜单中选择【编辑定义】命令，系统弹出【应力图解】属性管理器，如图 6-57所示。图 6-57 【应力图解】
47、属性管理器及图形区显示在【显示】选项下，可以指定显示的应力类型和单位，如图 6-58所示。图 6-58 应力图解的显示类型在【高级选项】下，可以定义显示模型的波节应力或单元应力图解，如图 6-47和图6-59所示。图 6-59 单元应力图解可以看到， 【波节值】 （即为节点值）应力图解看上去很光滑，而【单元值】则比较粗糙。单元应力和节点应力一般是不同的，但是若二者间差异过大则说明网格划分不够精细。在 Simulation中，应力图解默认的是显示【波节值】 ，而应变显示的是【单元值】 。【显示为张量图解】选项允许用户通过图解显示主应力的方向和大小，有助于直观地查看主应力 P1、P2、P3。由于这
48、些应力值之间的大小差异相当大，必须经过充分放大才能看到全部的 3个箭头，如图 6-60所示，此处截取了小孔处的图解。图 6-60 张量图解【变形形状】可以定义图解的变形比例。有三个选项可供选择：【自动】 （默认） 、 【真实比例】及【用户定义】 。多数情况下，实际的变形非常小，以致于在按真实比例绘图后，变形形状与未变形的形状几乎完全一致。因此需要将变形放大，以便更好地了解零件的变形情况。 自动：显示系统将最大变形放大到环绕模型的最小框中最大尺寸的 10%时使用的比例因子。 真实比例：显示模型的实际变形形状（比例因子为 1.0）。 用户定义：允许用户设定自己的比例因子。在大多数情况下，较大的比例因子有助于辨别偏转。 编辑图表选项在显示应力图解的情况下，右击 ，在快捷菜单中选择【图表选
