【正文】 劃分網(wǎng)格。５. 運(yùn)行分析分析過程中會(huì)彈出如下警號(hào)提示框，如圖698所示。單擊【否】，以小型位移（線性方式）完成分析。圖698 【線性靜態(tài)算例】提示框６. 結(jié)果分析分析結(jié)束后，顯示von Mises應(yīng)力圖解，如圖699所示。圖699 von Mises圖解右擊【應(yīng)力1】圖標(biāo)，在彈出的快捷菜單中選擇【圖表選項(xiàng)】，系統(tǒng)彈出【圖表選項(xiàng)】屬性管理器，選擇【定義】，將應(yīng)力顯示范圍設(shè)置為0到355MPa。修改【圖表選項(xiàng)】后的Von Mises圖解如圖6100所示。圖6100 更改【圖表選項(xiàng)】后的von Mises圖解圖中，紅色區(qū)域代表材料屈服。我們看到最大von ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服極限，因此這個(gè)值是不真實(shí)的。材料屈服表明線性分析不再有效，需要采用非線性分析才可能得到精確的結(jié)果。本節(jié)通過裝配體的靜態(tài)分析，向用戶介紹了全局及局部接觸條件。在算例中，應(yīng)用【無穿透】的全局接觸來預(yù)防兩個(gè)鉗口的交錯(cuò)，在鉗臂末端應(yīng)用【無穿透】、【節(jié)到曲面】的局部接觸條件來防止兩鉗臂的接觸。 Simulation優(yōu)化分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方案往往不是唯一的，從多個(gè)可行方案中尋找最優(yōu)方案的過程，稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimal Design）。隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，企業(yè)迫切希望提高產(chǎn)品的性能，減少原材料的消耗，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，使得工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍愈來愈廣，收到的效益也愈來愈顯著。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作者一直追求的目標(biāo)。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看,工程中的優(yōu)化問題就是求解極大值或極小值問題,亦即極值問題。通過Simulation的優(yōu)化分析，可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中搜索最佳解決方案，以最低的成本獲得最好的效益,提高設(shè)計(jì)效率。 優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要定義目標(biāo)（目標(biāo)函數(shù)）、設(shè)計(jì)可以更改的尺寸（設(shè)計(jì)變量）以及設(shè)計(jì)必須滿足的條件（約束條件）。1. 目標(biāo)函數(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定一個(gè)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)反映了用戶的要求，例如，重量輕、體積小、可靠性高、振動(dòng)小等。在確定目標(biāo)函數(shù)的時(shí)候應(yīng)注意有些性能指標(biāo)的提高會(huì)使其他性能降低，所以應(yīng)根據(jù)需要確定主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)兼顧次要目標(biāo)。2. 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量是對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)有影響的，需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化確定的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)變量越多，越容易達(dá)到好的優(yōu)化目標(biāo)。但隨著設(shè)計(jì)變量的增多，優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度也隨著增加。因而，應(yīng)盡量減少設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，只將對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響大的參數(shù)列為設(shè)計(jì)變量，而將那些影響不大的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先給定，以減少難度。3. 約束條件在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)變量的取值不是無限的，某些性能也有一定限制。約束條件就是加給設(shè)計(jì)變量和產(chǎn)品性能的限制，分為邊界約束和性能約束兩類。邊界約束用來限制設(shè)計(jì)變量的取值范圍，性能約束用來約束設(shè)計(jì)性能，如零件安全系數(shù)、最大應(yīng)力等。在Simulation中，分析軟件利用參數(shù)化的、基于特征的建模以及 CAD 軟件的自動(dòng)更新功能來自動(dòng)化優(yōu)化過程。它可以快速檢測(cè)更改設(shè)計(jì)變量的效果，將達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期數(shù)減至最少。對(duì)于要優(yōu)化分析的模型來說，需要事先運(yùn)行幾個(gè)算例（如靜態(tài)分析、頻率分析等），優(yōu)化分析需要用到它們的結(jié)果。并且需事先賦予零件材質(zhì)，否則SolidWorks將使用未指定材質(zhì)的密度（1e006 kg/mm^3）進(jìn)行計(jì)算，出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。優(yōu)化分析的關(guān)鍵步驟：（1）創(chuàng)建優(yōu)化算例（2）定義優(yōu)化目標(biāo)（3）定義設(shè)計(jì)變量（4）定義約束（5）運(yùn)行算例（6）分析結(jié)果 軸的優(yōu)化分析現(xiàn)在通過一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例來說明Simulation優(yōu)化分析功能的使用。1. 問題描述，發(fā)現(xiàn)其最小安全系數(shù)為3，存在一定的材料浪費(fèi)。在保證安全使用的前提下，可以通過修改軸的直徑尺寸，來減少軸的質(zhì)量。2. 創(chuàng)建優(yōu)化算例優(yōu)化算例要求生成至少一個(gè)初始算例。初始算例作為優(yōu)化算例的基礎(chǔ)，在每次優(yōu)化循環(huán)中，都將使用修改的尺寸運(yùn)行這些算例。所需的初始算例取決于選擇的目標(biāo)函數(shù)和約束，例如，旨在最小化體積或重量的目標(biāo)函數(shù)不需要特定類型的初始算例，而想要最小化頻率的目標(biāo)函數(shù)需要初始頻率算例。為保護(hù)原有模型不發(fā)生變化，首先復(fù)制“軸”模型，賦予材料“45”鋼，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析后再運(yùn)行優(yōu)化分析。單擊常用Simulation工具欄【算例】下拉菜單中的【新算例】按鈕，系統(tǒng)彈出【算例】屬性管理器，在【名稱】輸入框中自動(dòng)生成“算例2”名稱，采用默認(rèn)的名稱，在【類型】選項(xiàng)下單擊【優(yōu)化】按鈕，然后單擊【確定】按鈕完成新算例的創(chuàng)建，如圖6101所示。SolidWorks Simulation會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建算例文件夾和幾個(gè)圖標(biāo)以及【算例2】標(biāo)簽頁，如圖6102所示?！灸繕?biāo)】文件夾用來定義優(yōu)化目標(biāo)；【設(shè)計(jì)變量】文件夾用來定義設(shè)計(jì)變量；【約束】文件夾用來定義約束。分析完成以后，還會(huì)創(chuàng)建【結(jié)果】文件夾。，Simulation Study樹中沒有出現(xiàn)常規(guī)的文件夾如實(shí)體、連接、夾具等，這是因?yàn)閮?yōu)化分析將使用前面定義好的算例中包含的信息。 圖6101 【算例】屬性管理器 圖6102 Simulation Study樹3. 定義優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)，也稱為優(yōu)化準(zhǔn)則。在一個(gè)優(yōu)化算例中，只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)。右鍵單擊【目標(biāo)】文件夾，在快捷菜單中選擇【添加】命令，系統(tǒng)彈出【目標(biāo)】屬性管理器，如圖6103所示。在【目標(biāo)】選項(xiàng)下，可以設(shè)定優(yōu)化算例的目標(biāo)：縮小或放大，即最小化或最大化。在【數(shù)量類型】中有四個(gè)優(yōu)化類型：質(zhì)量、體積、頻率和扭曲。在【響應(yīng)】選項(xiàng)下【模式形狀】只適用于頻率和扭曲類型，【選擇要為目標(biāo)使用的算例】中列出了與所選數(shù)量類型相關(guān)的算例以供選擇。這里要取得的目標(biāo)是使軸的質(zhì)量最小化，在【選擇要為目標(biāo)使用的算例】下選擇“算例1”，單擊【確定】按鈕完成目標(biāo)定義。在Simulation Study樹中【目標(biāo)】文件夾下面出現(xiàn)“”圖標(biāo)，如圖6104所示。 圖6103 【目標(biāo)】屬性管理器 圖6104 Simulation Study樹4. 定義設(shè)計(jì)變量定義模型中可以改變的尺寸，如孔的直徑、壁厚等，設(shè)計(jì)變量為SolidWorks模型中選定的參數(shù)。在一個(gè)優(yōu)化算例中，最多可以選擇25個(gè)設(shè)計(jì)變量。首先顯示模型的尺寸：右擊注解，然后選擇顯示特征尺寸。右擊【設(shè)計(jì)變量】文件夾，在快捷菜單中選擇【添加】命令，系統(tǒng)彈出【設(shè)計(jì)變量】屬性管理器，如圖6105所示。圖6105 定義設(shè)計(jì)變量在圖形區(qū)選擇尺寸Φ20mm，即直徑值，【界限】欄中自動(dòng)加入尺寸值“D1@草圖1@”。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)適當(dāng)設(shè)置上下限。由于【初始值】為20mm，為減少質(zhì)量，此處在【上界】框中輸入12mm，在【下界】框中輸入20mm。單擊【確定】按鈕完成設(shè)計(jì)變量定義。在Simulation Study樹中【設(shè)計(jì)變量】文件夾下面出現(xiàn)“”圖標(biāo)，如圖6106所示。圖6106 Simulation Study樹5. 定義約束定義應(yīng)力、撓度、頻率等的合理變化范圍，最小值和最大值都可以被指定。指定的每個(gè)約束都必須與合適的初始算例相關(guān)。例如，要定義應(yīng)力約束、頻率和溫度，必須分別定義靜態(tài)算例、頻率算例和熱力算例。在一個(gè)優(yōu)化算例中，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)可能的情況： 第一種情況是達(dá)到了設(shè)計(jì)變量的上限。那么在設(shè)計(jì)變量達(dá)到允許的變化范圍的極限后，優(yōu)化設(shè)計(jì)就取決于該設(shè)計(jì)變量的邊界。 第二種情況是滿足了約束的條件。那么優(yōu)化設(shè)計(jì)就取決于臨界約束邊界。最多可以定義60個(gè)約束，其類型有應(yīng)力、應(yīng)變、位移、頻率、溫度梯度、熱流量等。右擊【約束】文件夾，在快捷菜單中選擇【添加】命令，系統(tǒng)彈出【約束】屬性管理器，如圖6107所示。在【響應(yīng)】選項(xiàng)中，選擇【靜態(tài)】作為響應(yīng)類型。選擇【節(jié)應(yīng)力】作為響應(yīng)度量，并選擇VON：von Mises應(yīng)力作為應(yīng)力度量的方式。在【單位】中選擇N/mm＾2（MPa）,在【下界】框中輸入0 MPa，在【上界】框中輸入295 MPa，這個(gè)約束將保證模型任何地方的von Mises應(yīng)力不會(huì)超過295 Mpa。單擊【確定】按鈕完成約束定義。在Simulation Study樹中【約束】文件夾下面出現(xiàn)“”圖標(biāo)，如圖6108所示。 圖6107 【約束】屬性管理器 圖6108 Simulation Study樹6. 運(yùn)行算例在運(yùn)行優(yōu)化分析之前，右擊【算例2】并選擇【屬性】命令，系統(tǒng)彈出【優(yōu)化】對(duì)話框。在【品質(zhì)】欄中選擇【標(biāo)準(zhǔn)】選項(xiàng)，在【結(jié)果文件夾】中輸入保存路徑，單擊【確定】完成設(shè)置，如圖6109所示。與前例相似，右擊【算例2】并選擇【運(yùn)行】命令。分析朝著設(shè)計(jì)目標(biāo)（質(zhì)量最小化）運(yùn)行五步后達(dá)到收斂，彈出優(yōu)化成功的窗口，如圖6110所示。 圖6109 【優(yōu)化】對(duì)話框 圖6110 【Simulation】窗口在Simulation Study樹中，出現(xiàn)【結(jié)果】文件夾及【初始設(shè)計(jì)】和【最終設(shè)計(jì)】?jī)蓚€(gè)圖標(biāo)，如圖6111所示。圖6111 Simulation Study樹7. 分析結(jié)果l 模型對(duì)比通過雙擊【結(jié)果】文件夾的【初始設(shè)計(jì)】和【最終設(shè)計(jì)】?jī)蓚€(gè)周期圖解可以將優(yōu)化前后的模型進(jìn)行對(duì)比，如圖6112所示。 圖6112 優(yōu)化前后的模型對(duì)比通過比較可以發(fā)現(xiàn)，模型的幾何形狀發(fā)生了變化。也正是由于這個(gè)原因，在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，不應(yīng)該使用零件原有的模型而使用復(fù)制的文件。在【結(jié)果】文件夾的【最終設(shè)計(jì)】圖解上右擊，在快捷菜單中選擇【細(xì)節(jié)】，系統(tǒng)彈出【設(shè)計(jì)周期結(jié)果細(xì)節(jié)】窗口，如圖6113所示?？梢钥吹剑K㎏。優(yōu)化分析使材料的質(zhì)量大約減少了37%，取得了非常顯著的效果。圖6113 【設(shè)計(jì)周期結(jié)果細(xì)節(jié)】窗口l 應(yīng)力圖解圖6114 優(yōu)化后的應(yīng)力圖解可以從圖6114看出，最大von ，小于最大允許應(yīng)力值295Mpa。這表明，應(yīng)力約束的要求已經(jīng)滿足。l 安全系數(shù)圖解圖6115 優(yōu)化后的安全系數(shù)圖解可以從圖6115看出。這表明，預(yù)先要求得到了實(shí)現(xiàn)。l 定義設(shè)計(jì)周期結(jié)果默認(rèn)情況下，【結(jié)果】文件夾下只有【初始設(shè)計(jì)】和【最終設(shè)計(jì)】?jī)蓚€(gè)周期圖解，用戶可以定義循環(huán)次數(shù)中任一循環(huán)的圖解。右擊【結(jié)果】文件夾，在快捷菜單中選擇【定義設(shè)計(jì)周期結(jié)果】命令，系統(tǒng)彈出屬性管理器，如圖6116所示。 圖6116 【定義設(shè)計(jì)周期結(jié)果】屬性管理器 圖6117 第二個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)的設(shè)計(jì)在【迭代數(shù)】參數(shù)框中輸入2，單擊【確定】按鈕，即顯示第二個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)的設(shè)計(jì)，直徑為12mm，如圖6117所示?！窘Y(jié)果】文件夾下添加了【迭代2】周期圖解，如圖6118所示。圖6118 Simulation Study樹l 定義設(shè)計(jì)歷史圖表【設(shè)計(jì)歷史圖表】能大致顯示優(yōu)化過程是如何進(jìn)行的。右擊【結(jié)果】文件夾，在快捷菜單中選擇【定義設(shè)計(jì)歷史圖表】命令，系統(tǒng)彈出屬性管理器，如圖6119所示。在【圖表類型】欄中有三個(gè)選項(xiàng)：目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束，分別用來圖解顯示目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束的優(yōu)化過程。此處選擇【目標(biāo)函數(shù)】，因?yàn)閮?yōu)化算例中只有一個(gè)目標(biāo)，所以只有一個(gè)圖解數(shù)據(jù)（質(zhì)量）可供選擇。勾選該選項(xiàng)并單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)彈出圖表窗口，如圖6120所示。圖表中共有5個(gè)點(diǎn)，這是因?yàn)閮?yōu)化過程在5步內(nèi)完成了質(zhì)量最小化的計(jì)算。在圖表中，質(zhì)量以㎏表示。 圖6119 【設(shè)計(jì)歷史圖表】屬性管理器 圖6120 目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)歷史圖表采用同樣的方法，可以定義設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束的設(shè)計(jì)歷史圖表。定義完成后，Simulation Study樹中的【結(jié)果】文件夾下面出現(xiàn)“”圖標(biāo)，如圖6121所示。圖6121 Simulation Study樹l 定義當(dāng)?shù)刳呄驁D表當(dāng)?shù)刳呄驁D表顯示了設(shè)計(jì)隨設(shè)計(jì)變量變化的靈敏性。右擊【結(jié)果】文件夾，在快捷菜單中選擇【定義當(dāng)?shù)刳呄驁D表】命令，系統(tǒng)彈出屬性管理器，如圖6122所示。在【設(shè)計(jì)變量】欄中選擇作為x軸顯示值的變量。因?yàn)榇颂巸?yōu)化算例中只有一個(gè)設(shè)計(jì)變量，所以只有一個(gè)變量（DV1）供選擇。在【Y軸】欄中可以選擇【目標(biāo)】或【約束】作為y軸顯示值的變量。此處選擇【目標(biāo)】選項(xiàng)。勾選該選項(xiàng)并單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)彈出圖表窗口，如圖6123所示。 圖6122 【當(dāng)?shù)刳呄驁D表】屬性管理器 圖6123 目標(biāo)的當(dāng)?shù)刳呄驁D解該變量定義的【當(dāng)?shù)刳呄驁D表】表示當(dāng)直徑在指定的12mm到20mm的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，質(zhì)量與該長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系。采用同樣的方法，在【Y軸】欄中可以選擇【約束】作為y軸顯示值的變量，如圖6124所示。圖6124 約束的當(dāng)?shù)刳呄驁D解定義完成后，Simulation Study樹中的【結(jié)果】文件夾下面出現(xiàn)圖解圖標(biāo)，如圖6125所示。至此，完成了對(duì)模型“軸”的優(yōu)化分析。圖6125 Simulation Study樹 小結(jié)SolidWorks Simulation是一款基于有限元技術(shù)的分析軟件，通過與SolidWorks的無縫集成，在工程實(shí)踐中發(fā)揮了愈來愈大的作用。本章主要介紹了使用Simulation進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化分析，并用實(shí)例詳細(xì)說明了零件和裝配體的分析過程。SolidWorks Simulation的功能非常強(qiáng)大，通過本章的學(xué)習(xí)，用戶應(yīng)能使用SolidWorks Simulation軟件對(duì)SolidWorks的零件和裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化分析。60