【正文】 Simulation有限元分析設(shè)計方案在制造業(yè)中，為了縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，廣泛采用計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE），機(jī)械設(shè)計已逐漸實現(xiàn)了由靜態(tài)、線性分析向動態(tài)、非線性分析的過渡，由經(jīng)驗類比向最優(yōu)設(shè)計的過渡。CAE在產(chǎn)品開發(fā)研制中顯示出了無與倫比的優(yōu)越性，使其成為現(xiàn)代企業(yè)在日趨激烈的競爭中取勝的一個重要條件，因而越來越受到科技界和工程界的重視。在CAE技術(shù)中，有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是應(yīng)用最為廣泛、最為成功的一種數(shù)值分析方法。SolidWorks Simulation即是一款基于有限元（即FEA數(shù)值）技術(shù)的分析軟件，通過與SolidWorks的無縫集成，在工程實踐中發(fā)揮了愈來愈大的作用。 Simulation基礎(chǔ)知識 有限元法概述有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）是隨著計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。有限元法的基本思路可以歸結(jié)為：“化整為零，積零為整”。它將求解域看成是由有限個稱為單元的互連子域組成，對每一個單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)出求解這個總域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能夠適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段，甚至成為CAE的代名詞。在機(jī)械工程中，有限元法已經(jīng)作為一種常用的方法被廣泛使用。凡是計算零部件的應(yīng)力、變形和進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)計算及穩(wěn)定性分析等都可用有限元法。如進(jìn)行齒輪、軸、滾動軸承及箱體的應(yīng)力、變形計算和動態(tài)響應(yīng)計算，分析滑動軸承中的潤滑問題，焊接中殘余應(yīng)力及金屬成型中的變形分析等。 Simulation概述Simulation是SolidWorks公司的黃金合作伙伴之一SRAC（Structural Research amp。 Analysis Corporation）公司推出的一套功能強(qiáng)大的有限元分析軟件。SRAC成立于1982年，是將有限元分析帶入微型電腦上的典范。1995年，SRAC公司與SolidWorks公司合作開發(fā)了COSMOSWorks軟件，從而進(jìn)入工程界主流有限元分析軟件的市場，并成為SolidWorks公司的金牌產(chǎn)品之一。它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成，成為了頂級銷量產(chǎn)品。2001年，整合了SolidWorks CAD軟件的COSMOSWorks軟件在商業(yè)上所取得的成功使其獲得了Dassault Systems（達(dá)索公司，SolidWorks的母公司）的認(rèn)可。2003年，SRAC與SolidWorks公司合并。COSMOSWorks的09版更名為SolidWorks Simulation。Simulation與SolidWorks全面集成，從一開始，就是專為Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的，因而具有許多與SolidWorks一樣的優(yōu)點(diǎn)，如功能強(qiáng)大，易學(xué)易用。運(yùn)用Simulation，普通的工程師就可以進(jìn)行工程分析，并可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。其基本模塊能夠提供廣泛的分析工具來檢驗和分析復(fù)雜零件和裝配體，它能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析、設(shè)計優(yōu)化、線性和非線性分析等。Simulation有不同的軟件包以適應(yīng)不同用戶的需求。除了SolidWorks SimulationXpress程序包是SolidWorks的集成部分外，其他所有的Simulation軟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能對帶有簡單載荷和支撐的零件進(jìn)行靜態(tài)分析，只有在Simulation插件未啟動時才能使用。2. SolidWorks Simulation能對零件和裝配體進(jìn)行靜力分析。Simulation是專門為那些非設(shè)計驗證領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的設(shè)計師和工程師量身定做的，該軟件可以在SolidWorks模型制造之前指明其運(yùn)行特性，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。Simulation完全嵌入在SolidWorks界面中，因此任何能夠運(yùn)用SolidWorks設(shè)計零件的人都可以對零件進(jìn)行分析。使用Simulation可以實現(xiàn)以下功能： 輕松快速地比較備選設(shè)計方案，從而選擇最佳方案。 研究不同裝配體零件之間的交互作用。 模擬真實運(yùn)行條件，以查看模型如何處理應(yīng)力、應(yīng)變和位移。 使用簡化驗證過程的自動化工具，節(jié)省在細(xì)節(jié)方面所花費(fèi)的時間。 使用功能強(qiáng)大且直觀的可視化工具來解釋結(jié)果。 與參與產(chǎn)品開發(fā)過程的所有人員協(xié)作并分享結(jié)果。3. SolidWorks Simulation Professional能進(jìn)行零件和裝配體的靜態(tài)、熱力、扭曲、頻率、掉落測試、優(yōu)化和疲勞分析。使用Simulation Professional可以實現(xiàn)以下功能： 分析運(yùn)動零件和接觸零件在裝配體內(nèi)的行為。 執(zhí)行掉落測試分析。 優(yōu)化模型以滿足預(yù)先指定的設(shè)計指標(biāo)。 確定設(shè)計是否會因扭曲或振動而出現(xiàn)故障。 減少因制造物理原型而造成的成本和時間延誤。 找出潛在的設(shè)計缺陷，并在設(shè)計過程中盡早糾正。 解決復(fù)雜的熱力模擬問題。 分析設(shè)計中因循環(huán)載荷產(chǎn)生的疲勞而導(dǎo)致的故障。4. SolidWorks Simulation Premium除包含有Simulation Professional的全部功能外，還能進(jìn)行非線性和動力學(xué)分析。它為經(jīng)驗豐富的分析員提供了多種設(shè)計驗證功能，以應(yīng)對棘手的工程問題，例如非線性分析等。使用Simulation Premium可以實現(xiàn)以下如下功能： 對塑料、橡膠、聚合物和泡沫執(zhí)行非線性分析。 對非線性材料間的接觸進(jìn)行分析。 研究設(shè)計在動態(tài)載荷下的性能。 了解復(fù)合材料的特性。 Simulation使用指導(dǎo)1. 啟動Simulation插件如果已正確安裝Simulation，但在SolidWorks的菜單欄中沒有Simulation菜單，可選擇菜單欄【工具】→【插件】命令或單擊【選項】按鈕右邊的倒三角并選擇【插件】命令。系統(tǒng)彈出【插件】對話框，在對話框中勾選【SolidWorks Simulation】選項，如圖61所示。菜單欄中即可顯示【Simulation】菜單，同時在常用工具欄中也會出現(xiàn)【Simulation】菜單，SolidWorks Simulation的界面如圖62所示。圖61 啟動Simulation插件圖62 Simulation界面注意：如果只勾選了【Simulation】選項前面的方框，則當(dāng)重新啟動SolidWorks時，需要按上面的步驟重新操作才能在菜單欄中顯示【Simulation】菜單；如果同時勾選了【SolidWorks Simulation】選項后面的方框，則Simulation會隨著SolidWorks一起啟動，Simulation菜單會自動出現(xiàn)在菜單欄中。2. SolidWorks Simulation選項選擇菜單欄【Simulation】→【選項】命令，系統(tǒng)彈出【系統(tǒng)選項】對話框。用戶可以在此定義分析中使用的標(biāo)準(zhǔn)。該對話框有兩個選項，即【系統(tǒng)選項】和【默認(rèn)選項】。圖63 Simulation系統(tǒng)選項l 系統(tǒng)選項系統(tǒng)選項面向所有算例，包含出錯信息、夾具符號、網(wǎng)格顏色、結(jié)果圖解、字體設(shè)置和默認(rèn)數(shù)據(jù)庫的存放位置等，如圖63所示。l 默認(rèn)選項默認(rèn)選項只針對當(dāng)前建立的算例。在此，可以設(shè)置單位、載荷/夾具、網(wǎng)格、結(jié)果、圖解和報告等。以【圖解】設(shè)置為例，靜態(tài)分析之后，Simulation會自動生成三個結(jié)果圖解：應(yīng)力位移1和應(yīng)變1。用戶可以通過【圖解】設(shè)置自動生成哪些結(jié)果圖解及顯示格式，并且可以通過右擊算例結(jié)果項添加新圖解，如圖64所示。圖64 Simulation默認(rèn)選項3. SolidWorks Simulation中的單元類型SolidWorks Simulation用四面體實體單元劃分實體幾何體，而用三角形殼單元劃分幾何面。與此對應(yīng)，Simulation中有四種單元類型：一階實體四面體單元、二階實體四面體單元、一階三角形殼單元和二階三角形殼單元。在SolidWorks Simulation中，稱一階單元為【草稿品質(zhì)】單元，二階單元為【高品質(zhì)】單元。由于二階單元具有較好的繪圖能力和模擬能力，推薦用戶對最終結(jié)果和具有曲面幾何體的模型使用高品質(zhì)選項，并且Simulation默認(rèn)選擇即為高品質(zhì)。在進(jìn)行快速評估時可以使用草稿品質(zhì)網(wǎng)格化，以縮短運(yùn)算時間。4. 等效應(yīng)力（也稱為 von Mises 應(yīng)力）由材料力學(xué)可知，反映應(yīng)力狀態(tài)的微元體上剪應(yīng)力等于零的平面，定義為主平面。主平面的正應(yīng)力定義為主應(yīng)力。受力構(gòu)件內(nèi)任一點(diǎn)，均存在三個互相垂直的主平面。三個主應(yīng)力用σl、σ2和σ3表示，且按代數(shù)值排列即σlσ2σ3。von Mises 應(yīng)力可以表示為：在Simulation中，主應(yīng)力被記為PP2和P3，如圖65所示。在大多數(shù)情況下，使用von Mises 應(yīng)力作為應(yīng)力度量。因為von Mises 應(yīng)力可以很好地描述許多工程材料的結(jié)構(gòu)安全彈塑性性質(zhì)。P1應(yīng)力通常是拉應(yīng)力，用來評估脆性材料零件的應(yīng)力結(jié)果。對于脆性材料，P1應(yīng)力較Von Mises 應(yīng)力更恰當(dāng)?shù)卦u估其安全性。P3應(yīng)力通常用來評估壓應(yīng)力或接觸壓力。圖65 主應(yīng)力圖解Simulation程序使用 von Mises 屈服準(zhǔn)則計算不同點(diǎn)處的安全系數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到材料的屈服力時，材料開始屈服。程序通過在任意點(diǎn)處將屈服力除以von Mises應(yīng)力而計算該處的安全系數(shù)。安全系數(shù)值的解釋： 某位置的安全系數(shù)小于 表示此位置的材料已屈服，設(shè)計不安全。 某位置的安全系數(shù)等于 表示此位置的材料剛開始屈服。 某位置的安全系數(shù)大于 表示此位置的材料沒有屈服。 Simulation有限元分析的一般步驟不管項目多復(fù)雜或應(yīng)用領(lǐng)域多廣，無論是結(jié)構(gòu)、熱傳導(dǎo)還是聲學(xué)分析，對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。1. 有限元求解問題的基本思想l 建立數(shù)學(xué)模型Simulation對來自SolidWorks的零件或裝配體的幾何模型進(jìn)行分析。該幾何模型必須能夠用正確的、適度小的有限單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于小的概念，并不是指它的單元尺寸，而是表示網(wǎng)格中單元的數(shù)量。對網(wǎng)格的這種要求，有著極其重要的含義。必須保證CAD幾何模型的網(wǎng)格劃分，并且通過所產(chǎn)生的網(wǎng)格能得到正確的數(shù)據(jù)，如位移、應(yīng)力、溫度分布等。通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改可以采取特征消隱、理想化或清除等方法： 特征消隱特征消隱指合并或消除分析中認(rèn)為不重要的幾何特征，如外倒角、圓邊、標(biāo)志等。 理想化理想化是更具有積極意義的工作，它也許偏離了CAD幾何模型的原貌，如將一個薄壁模型用一個面來代替。 清除清除有時是必須的，因為可劃分網(wǎng)格的幾何模型必須滿足比實體建模更高的要求?？梢允褂肅AD質(zhì)量控制工具來檢查問題所在。例如，CAD模型中的細(xì)長面（即長比寬大得很多的面，好像是一條線的面）或多重實體（即多個實體），會造成網(wǎng)格劃分困難甚至無法劃分網(wǎng)格。通常情況下，對能夠進(jìn)行正確網(wǎng)格劃分的模型采取簡化，是為了避免由于網(wǎng)格過多而導(dǎo)致分析過程太慢。修改幾何模型是為了簡化網(wǎng)格從而縮短計算時間。成功的網(wǎng)格劃分不僅依賴于幾何模型的質(zhì)量，而且還依賴于用戶對FEA軟件網(wǎng)格劃分技術(shù)的熟練使用。l 建立有限元模型通過離散化過程，將數(shù)學(xué)模型剖分成有限單元，這一過程稱為網(wǎng)格劃分。離散化在視覺上是將幾何模型劃分為網(wǎng)格。然而，載荷和支撐在網(wǎng)格完成后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上。l 求解有限元模型創(chuàng)建了有限元模型后，使用Simulation的求解器來得出一些感興趣的數(shù)據(jù)。l 結(jié)果分析總的來說，結(jié)果分析是最困難的一步。有限元分析提供了非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用各種格式表達(dá)。對結(jié)果的正確解釋需要熟悉和理解各種假設(shè)、簡化約定以及在前面三步中產(chǎn)生的誤差。創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型和離散化成有限元模型會產(chǎn)生不可避免的誤差：形成數(shù)學(xué)模型會導(dǎo)致建模誤差，即理想化誤差；離散數(shù)學(xué)模型會帶來離散誤差；求解過程會產(chǎn)生數(shù)值誤差。在這三種誤差中，建模誤差是在FEA之前引入的，只能通過正確的建模技術(shù)來控制；求解誤差是在計算過程中積累的，難于控制，所幸的是它們通常都很??；只有離散化誤差是FEA特有的，也就是說，只有離散化誤差能夠在使用FEA時被控制。簡言之，有限元分析可分為三個階段：前處理、求解和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；求解是計算基本未知量；后處理則是采集處理分析結(jié)果，方便用戶提取信息，了解計算結(jié)果。2. Simulation使用步驟以上介紹了Simulation有限元分析的基本思想，在實際應(yīng)用Simulation進(jìn)行分析時，一般遵循以下步驟：（1）創(chuàng)建算例對模型的每次分析都是一個算例，一個模型可以有多個算例。（2）應(yīng)用材料向模型添加包含物理信息（如屈服強(qiáng)度）的材料。（3）添加約束模擬真實的模型裝夾方式，對模型添加夾具（約束）。