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solidworks有限元分析步骤简介|无锡solidworks培训|无锡proe培训|无锡UG模具培训

来源:上元教育   【上元教育:技能改变命运,上元成就未来】   2016-5-11
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  solidworks有限元分析步骤简介:

  1. 软件形式:

  ㈠. SolidWorks的内置形式:

  ◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。

  ㈡. SolidWorks的插件形式:

  ◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。

  ◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。

  ◆COSMOSWorks AdvaNCed Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。

  ㈢. 单独发行形式:

  ◆ COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。

  2. 使用FEA的一般步骤:

  FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具,但不是唯一的数值分析工具! 其它的数值分析工具还有:有限差分法、边界元法、有限体积法…

  ① 建立数学模型——有时,需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要,

  (即从CAD几何体→FEA几何体),共有下列三法:

  ▲ 特征消隐:指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征,如外圆角、圆边、标志等。

  ▲ 理想化:理想化是更具有积极意义的工作,如将一个薄壁模型用一个平面来代理(注:如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”,COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体)。

  ▲ 清除:因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具(即SW菜单: Tools→Check…)来检验问题所在,另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉(小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小!但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布,那么此时非常小的内部圆角应该被保留)。

  ② 建立有限元模型——即FEA的预处理部分,包括五个步骤:

  ▲ 选择网格种类及定义分析类型(共有静态、热传导、频率…等八种类别)——这时将产生一个FEA算例,左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称;

  ▲ 添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择,它不并考虑缺陷和表面条件等因素,与几何模型相比,它有更多的不确定性。

  ◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。

  ◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。

  ◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有该“Body”被赋予指定的材料属性。

  ▲ 施加约束:定义约束是最容易产生误差的地方。通常的误差来自于过约束模型,其后果是:结构过于刚硬并低估了实际变形量和应力值。对装配体而言,还要定义“接触/间隙”这种特殊的“约束”。约束的目的是禁止模型的刚体位移。

  在COSMOSWorks中共有十种约束(不包括“接触/间隙”)。它也意味着处于指定的“点、线、面”上的全部这些节点所受到的约束。

  约束符号中的箭头表示“平移”约束,而圆盘则表示“回转”约束(实体单元的每个节点仅有3个移动自由度,而壳单元有6个自由度)。

  对“Solid mesh”而言,因为节点无转动自由度,所以选择“固定”和“不可移动”的效果是完全一样的。定义完约束之后,模型的空间位置就被固定下来了。此时,模型不可能再发生除弹形变形之外的位移(在FEA的静态分析中,可能存在的也只能是弹形位移),称之为“模型没有刚体位移”。

  ▲ 定义载荷:在现实中,只能大概地知道载荷的大小、分布、时间依赖关系。所以,必须在FEA分析中通过简化的假设做出近似的估计。因此,定义载荷会产生较大的建模误差(理想化误差)。

  注:前面的四项统称为FEA分析的“预处理”,它们的不确定性程度从高到低依次为:约束、载荷、材料、几何模型。

  ▲ 网格划分:

  a). COSMOSWorks中只有两类单元:一阶单元(草稿品质单元)和二阶单元(高品质单元)。或:实体四面体单元和三角形壳单元。这样,COSMOSWorks共有四种单元类型:一阶实体四面体单元(只有4个角节点,1个高斯点)、二阶实体四面体单元(有4个角节点和6个中间节点,共计10个节点,4个高斯点)、一阶三角形壳单元(只有3个角节点,1个高斯点)、二阶三角形壳单元(有3个角节点和3个中间节点,共计6个节点,3个高斯点)——这里的四面体不一定是正四面体,而三角形也不一定是正三角形。此外,二阶单元的边和面都可以是曲线形状,以模拟单元因加载而变形的实际情形。

  b).单元的品质可通过SW菜单: COSMOSWorks→Options…→选Mesh标签…

  c).一般FEA中拥有最少节点的单元是横梁单元,它只有2个节点(即梁的两个端点),但每个节点处均有6个自由度(即三个平移分量加三个转动位移分量)。

  d). 二阶实体四面体单元和二阶三角形壳单元适用于曲线形的几何体。

  e).某些类型的形状既可以使用实体单元也可以使用壳单元,具体选用什么类型的单元取决于分析的目的。然而,通常情况下,几何体的天然形状决定了所使用的单元类型,比如,一些铸件只能用实体网格划分,而一张金属板材最好使用壳单元。

  f).有限单元网格中的自由度是指单元节点的自由度。实体单元的每个节点有三个自由度(三个平移分量),壳单元的每个节点有六个自由度(三个平移分量加三个转动位移分量)。节点的位移即为这些分量的几何合成矢量。

  g).在进行网格划分时,单元在匹配几何体的过程中会经历变形扭曲,但过度的扭曲会导致单元的恶化,从而导致计算量徒增和计算精度大大地降低,甚至会无法计算。为此,需要通过控制默认单元的大小(即SW菜单: COSMOSWorks→Mesh→Create…,其中:Coarse对应大,Fine对应小)或应用局部网格控制(即SW菜单: COSMOSWorks→Mesh→Apply Control…)来避免单元的过度扭曲。

  h).网格质量保证:包括长宽比检查和Jacobian检查, 这些检查由程序自动执行。

  长宽比检查:正四面体的长宽比通常被用做计算其它单元的长宽比。一个单元的长宽比定义为:四面体的最长边的长度值/四面体的顶点到其相对面的法向距离的最小长度值。这里,顶点的相对面需用正四面体正则化,并假定四面体的4个角点之间用直线相连。非常小的正四面体单元的长宽比可近似地认为是1.0。作为长宽比检查的一部分,COSMOSWorks还自动执行边长检查、内切圆和外接圆检查,以及法向长度检查。

  Jacobian检查:即检查雅可比行列式的值,用于判断单元的弯曲程度。一个极端扭曲单元的雅可比行列式是负值,而负的雅可比行列式会导致FEA程序的终止。Jacobian检查是基于一系列点(高斯点或节点),这些点位于每个单元中。通常情况下,雅可比率小于或等于40是可以接受的。COSMOSWorks会自动调整扭曲单元的中节点位置,以确保所有的单元能通过雅可比检查。在二次单元中,单元边界上的中节点放置在真实的几何体上;但在尖劈和弯曲边界,将中节点放置在真实几何体上会导致产生边缘下相互重叠的扭曲单元。对正四面体而言,所有中节点均精确地定位在直边中点,其雅可比率为1.0,随着边缘曲率的增加,其雅可比率也增大。Jacobian检查设置可通过COSMOSWorks→options…→Mesh标签来实现。

  i).局部网格控制:由三个参数来控制——所选实体的单元尺寸、层与层之间的单元尺寸比、受局部优化影响的单元层数。它们的缺省值分别为2.2、1.5、3。网格控制可用在点(顶点)、线(边界)、面(表面)、及装配体组件上。三个控制参数可通过命令:COSMOSWorks→Mesh→Apply Control…来实现。为了找出仍在工作的最大单元,可勾选COSMOSWorks→options…→Mesh标签中的Automatic Looping选项,“自动为实体循环”功能要求网格划分程序利用更小的全局单元尺寸网格对模型进行重新划分,用户可以控制:循环实验的最大次数、全局单元尺寸每次减少的幅度、公差。

  对于应用于组件的网格控制由“Component significance (零件有效数)”来定义,对于不同的Slide位置,指示网格划分程序选用不同的单元尺寸来对每个选定的组件进行网格划分。但如果“use same element size”已勾选,那么所有组件均按“网格控制”窗口中指定相同单元尺寸来进行划分。

  j).实际的网格划分过程,共分三个步骤:

  第一步,评估几何模型——检查CAD几何体有无缺陷;

  第二步,处理边界——即先将节点置于边界上,这一步被称做表面划分;

  第三步,创建网格——用四面体单元来填充实体体积。

  k).如果第一步失败,则最有可能的是几何模型错误,为了验证几何模型是否错误,以IGES输出模型,观察是否出现错误信息“处理修整的表面实体失败”。

  l). 如果第二步失败,分两种情况:i.在进度指示条到达最右端之前出现错误,则说明至少在一个面上的划分出现错误,此时,右键单击网格,选择“失败诊断”,以找出有问题的表面,再有分割线或网格控制来帮助划分该表面;ii.在进度指示条到达最右端之后且在第三步开始之前出现错误,此时,需要将公差从5%(默认)到10%对单元尺寸进行增加后重新划分网格,但如果公差为10%时仍旧失败,则可以继续增加公差,但最大不要超过25%。设置命令为:COSMOSWorks→Mesh→Create…→…

  m). 如果第三步失败,则表明错误发生在体积填充阶段。此时,可将单元尺寸公差从5%减少到1%,如果仍然失败,则可以25%的幅度减少单元尺寸,并设公差为1%.

  n). “失败诊断”工具只对实体单元有效,对壳单元不起作用。

  o). 从2008版开始,COSMOSWorks实现了自动“局部网格控制”,因而“网格划分”完全不再需要人工干预。

  ③ 求解有限元模型——在结构分析中,FEA首先计算的是网格中每个节点的位移(矢

  量),再在此基础上计算应变和应力等其它物理量;在热分析中,FEA首先计算的是网格中每个节点的温度(标量),再在此基础上计算温度梯度和热流等其它物理量.

  一般如果模型可划分网格,那么它就可以求解,但如果没有定义材料或载荷,则求解会终止。解算器也可检查出由于约束不足而引起的刚体运动。但刚体运动可用解算器选项来处理,比如,使用软弹簧来稳定模型,或使用平面内作用、惯性卸除。影响选择合适的解算器的五个因素:

  1).问题的大小——通常,FFEPlus在处理自由度(DOF)超过100,000时,速度比较快。FFEPlus随着问题的变大会变得更有效率。

  2).计算机资源——在计算机可用的内存足够多时,Direct Sparse解算器的速度比较快。

  3).分析选项;

  4).单元类型;

  5).材料属性——当模型中使用的材料弹性模量差异较大时(比如钢和尼龙),FFEPlus(迭代法)求解比Direct Sparse(直接法)求解的精度低。

  如果不能确定选择哪个解算器是分析的最佳选择时,可将解算器的类型设为“自动”。

  选择求解器的命令为:COSMOSWorks→Options…→选Results标签.

  ④ 结果分析——对结果的正确解释需要我们熟悉理解:i).各种假设,如在静态分析中的

  材料线性假设、小变形假设、静态载荷假设;ii).简化约定;iii).前面三步中产生的误差,如建模误差(也称理想化误差)、离散误差(划分网格时产生的误差)、数值误差(求解过程中产生的误差)。在这三种误差当中,只有离散化误差是FEA特有的,故只有这个误差能够在使用FEA时被控制——网格单元越小,离散误差越低;影响数学几何模型的建模误差,是在FEA之前引入的,故只能通过正确的建模技术来控制;数值误差(求解误差)是在计算过程中产生的,难于控制,但它们通常比较小。

  执行“COSMOSWorks→Options…→Results标签→Automatic Results Plots按钮”,可确定要在程序界面中显示的计算项目的结果。

  结果中的波节应力(Node values)是指单元节点上的应力,而单元应力(Element values)则是指单元高斯点上的应力。

  单元应力和波节应力一般是不同的,但若两者相差过大,则说明网格划分不够精细。

  解析解(用数学公式求出的解)只有在平面应力假设下,板的厚度非常薄时才有效——因为它不考虑应力沿板厚方向的分布(梯度分布:中间最大,两边缘最小),认为板厚方向的截面上的应力处处相等。所以,FEA解能够比较真实地反映应力的实际状况。

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