solidworks_Simulation理论基础

nullnull长沙凯士达信息技术有限公司 CAE工程师 谢莉 概要概要Simulation产品线及公司介绍 什麽是FEA? 历史背景 FEA在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的作用 有限元理论 定义 一般过程 强度理论 Simulation 产品线-面向所有用户的协同仿真Simulation 产品线-面向所有用户的协同仿真Simulation 机械设计验证 Flow Simulation 计算流体动力学Motion 运动仿真SolidWorks 设计仿真产品线SolidWorks 设计仿真产品线COSMOS更名COSMOS更名SolidWorks Simulation 产品线的新名称Simulation 发展历程 Simulation 发展历程 1982 1985 1995 1997 SRAC 创立 COSMOS/M – 第一款用于 PC 的 FEA 软件 第一个 SolidWorks 合作伙伴 第一个 SolidWorks 黄金合作伙伴 发布 Simulation 2005 被 Dassault Systemes 收购 发布COSMOS2007 2002 2004 2001 发布SW&Premium发布Simulation 200620052006COSMOSMotion 加入SW&Premium2007发布COSMOS2008 2008更名为Simulation许多人并不需要 FEA许多人并不需要 FEA当时间，费用，重量无需考虑时什么是 FEA?什么是 FEA? 解析方法虽然简单但很难满足许多工程设计的需要 FEA 将复杂的几何模型离散分解成许多 简单的小块FEA: Finite Element Analysis FEM: Finite Element Method FEA/FEM 称为有限单元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 /方法历史背景 基于计算机的结构分析历史背景 基于计算机的结构分析 在 1943, Richard Courant 建议将连续介质的物体划分为三角形的小块 1953年, 绗架结构分析在数字计算机上首次完成. 1960年, “有限单元法” 的名字由Ray Clough首次提出 在70年代末80年代初，分析评估在微机和工作站上实现 花费少 容易组织 但过程麻烦: 设计人员产生模型并把他们交给分析人员. 分析人员导入分析模型,进行分析,并给出分析结果 根据分析结果更改设计等 历史背景 基于计算机的结构分析历史背景 基于计算机的结构分析 80年代中期进入PC时代: 分析的采用在一定程度上提高了效率 90年代中期进入Windows时代 花费低 设计人员已把分析作为设计中不可分割的一部分 更复杂和更大的装配体模型也可进行分析 CAD 和 FEA集成的改善 自动优化处理 更快的速度和精度 分析的未来: 更高效的工程部门 更安全的产品 更短的产品投放市场时间FEA 在工业中FEA 在工业中 CAD 和 FEA 的结合使得在实际工作中使用FEA方便简单 在设计中使用FEA可以大大减少 (但不是替代) 物理样机和试验 通过使用 FEA, 设计可以更优,减少重量体积并且提高可靠性 FEA 在工业中FEA 在工业中FEA 并不只强调自己 FEA 要在设计中发挥作用离不开 物理样机的实验当有零部件破坏时当有零部件破坏时物理实验 金相检查 各种仪器 (昂贵) 检测 重新设计重新试验 FEA 了解到各种工况数据 看到失效形式 找到危险和没危险的零部件我们试了又试但仍不知道它为什麽会坏把事情做好把事情做好传统的方式 按比例试验 样机 重新设计重新试验FEA 了解各种参数影响 没有材料消耗 测试各种极端情况下和无法作试验的结果 鉴别各种可能的趋势 优化处理 有限元术语有限元术语有限元网格有限元网格一个离散化的模型 代表实际三维物体 有限元模型由单元和节点构成对单元位移有一个简化的假设形式 位移的连续性在节点处被保证单元/节点定义单元/节点定义应力应变在每个单元中被计算 力和位移在每个节点被计算 单元通过节点相互作用 单元可分为两大类 连续介质(实体) 结构 (梁、壳)有限单元有限单元COMOSWorks用四面体实体单元划分实体几何体，用三角形壳单元划分几何面。 实体四面体单元null有限单元有限单元壳单元 一阶二阶null有限单元有限单元横梁单元在FEA中使用直接位移法求解在FEA中使用直接位移法求解位移被假设是未知的 每个节点有六个可能的位移自由度 (DOF), 即：ux, uy, uz, qx, qy, qz 根据单元类型不同，每个节点的自由度情况也不同 在2D中的连续单元仅有 ux 和 uy 在2D中的结构单元仅有 ux, uy,和qz 在3D中的连续单元仅有 ux, uy和 uz 在3D中的结构单元有 所有六个自由度 所有存在的自由度都对应有相应的力和矩null实体单元各节点：3个自由度 壳单元各节点：6个自由度 梁单元各节点：6个自由度 结构分析基础结构分析基础平衡方程 变形协调方程应力应变关系（虎克定律）平衡方程平衡方程施加在一个单元上的外力之和为零变形协调方程 变形协调方程 单元节点位移和单元应变的关系 节点力和单元应力亦如此{ei} = [B] {u}应力应变关系应力应变关系又称为物理方程 定义应力 (s) 和应变 (e)关系在该关系方程中 [C] 是一个 6 X 6 的矩阵 {s} = [C][e}边界条件边界条件在有限元分析中的边界条件代表 实际物理模型和它周边物体之间的相互作用关系分析整个系统在很多时候既不实际也没必要 通过使用边界条件一个系统级的分析, 可以简化成对一个零部件级的分析 边界条件边界条件自由物体有六个自由度（ RIGID BODY MODES） 一个 (RBM) 是一个可能的运动 ，存在有可能的运动 的方向不能有变形自由物体有三个移动自由度 和三个转动自由度边界条件边界条件约束应按以下原则施加: 约束条件忠实地反映实际工况 刚体六个运动自由度必须被约束掉 各种约束条件的实例各种约束条件的实例FEA 等效约束种类如下所述 悬臂梁约束（固定） 导槽约束 轮廓约束 铰链约束 球铰约束 边界条件边界条件所有的移动和转动都被约束仅有一个移动自由度边界条件边界条件所有的转动被约束仅允许一个 移动自由度所有的移动被约束仅允许一个转动自由度边界条件边界条件所有移动被消除, 所有转动被允许载荷载荷施加在物体外表面的力 称为外力 如集中力和压力 施加在物体内部的力 称为体力 如重力，离心力，温度应力有限元分析概述有限元分析概述有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 FEA分析的基本步骤： 预处理：定义分析类型、添加材料属性、施加载荷和约 束、网格划 求解：计算结果 后处理：分析结果 有限元分析过程有限元分析过程产生几何模型 划分单元确定分析类型添加材质属性加约束加载荷解线性方程组 {u}建立系统线性方程组生成系统刚度矩阵【K】计算产生单元刚度矩阵{u}{f}有限元分析过程有限元分析过程获得每个单元的单元应变计算单元应力显示结果获取每个节点位移建立数学模型建立数学模型对CAD几何模型进行修改以满足网格划分的要求（正确的、适度少的有限单元） 方法 特征消隐 理想化 清除 确定分析类型、材料属性、载荷、支撑和约束。null建立有限元模型 网格划分：通过离散化过程，将数学模型分成有限单元。 求解有限元模型 结果分析有限元分析过程有限元分析过程强度理论强度理论第一强度理论（最大法向应力理论） P1：第一主应力 主应力：切应力为零的平面上的正应力。 一般适用于脆性材料，如铸铁、陶瓷、工具钢等 第二强度理论（最大伸长线应变理论） P1-u(P2+P3) 合金铸铁、低温回火的高强度钢和石料等 第三强度理论（最大切应力理论） 最大抗剪应力Τmax=(P1-P3)/2强度理论强度理论第四强度理论——形状改变比能理论 Von Mises应力 null主应力σ1 、σ2、 σ3（剪应力为零） 设计检查图解 安全系数= 不同材料不同情况下公式中的极限应力都不同，根据需要来选择 null单位制单位制Simulation基本包的使用限制（假设）Simulation基本包的使用限制（假设）材料是线性的 应力与应变成正比 小变形 变形相对结构的整体尺寸来说很小 变形不会改变结构的刚度 静态载荷 所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种假设允许忽略惯性和阻尼力。