solidworks进行有限元分析的一般步骤说课材料

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s o l i d w o r k s进行有限元分析的一般步骤

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