【正文】 60。本章主要介紹了使用Simulation進行應(yīng)力分析和優(yōu)化分析，并用實例詳細說明了零件和裝配體的分析過程。至此，完成了對模型“軸”的優(yōu)化分析。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。勾選該選項并單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)彈出圖表窗口，如圖6123所示。在【Y軸】欄中可以選擇【目標】或【約束】作為y軸顯示值的變量。在【設(shè)計變量】欄中選擇作為x軸顯示值的變量。圖6121 Simulation Study樹l 定義當?shù)刳呄驁D表當?shù)刳呄驁D表顯示了設(shè)計隨設(shè)計變量變化的靈敏性。 圖6119 【設(shè)計歷史圖表】屬性管理器 圖6120 目標函數(shù)設(shè)計歷史圖表采用同樣的方法，可以定義設(shè)計變量和設(shè)計約束的設(shè)計歷史圖表。圖表中共有5個點，這是因為優(yōu)化過程在5步內(nèi)完成了質(zhì)量最小化的計算。此處選擇【目標函數(shù)】，因為優(yōu)化算例中只有一個目標，所以只有一個圖解數(shù)據(jù)（質(zhì)量）可供選擇。右擊【結(jié)果】文件夾，在快捷菜單中選擇【定義設(shè)計歷史圖表】命令，系統(tǒng)彈出屬性管理器，如圖6119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。右擊【結(jié)果】文件夾，在快捷菜單中選擇【定義設(shè)計周期結(jié)果】命令，系統(tǒng)彈出屬性管理器，如圖6116所示。這表明，預(yù)先要求得到了實現(xiàn)。這表明，應(yīng)力約束的要求已經(jīng)滿足。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。在【結(jié)果】文件夾的【最終設(shè)計】圖解上右擊，在快捷菜單中選擇【細節(jié)】，系統(tǒng)彈出【設(shè)計周期結(jié)果細節(jié)】窗口，如圖6113所示。 圖6112 優(yōu)化前后的模型對比通過比較可以發(fā)現(xiàn)，模型的幾何形狀發(fā)生了變化。 圖6109 【優(yōu)化】對話框 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】和【最終設(shè)計】兩個圖標，如圖6111所示。與前例相似，右擊【算例2】并選擇【運行】命令。 圖6107 【約束】屬性管理器 圖6108 Simulation Study樹6. 運行算例在運行優(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】對話框。單擊【確定】按鈕完成約束定義。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。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。那么優(yōu)化設(shè)計就取決于臨界約束邊界。 第一種情況是達到了設(shè)計變量的上限。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。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。單擊【確定】按鈕完成設(shè)計變量定義。為實現(xiàn)優(yōu)化目標，應(yīng)適當設(shè)置上下限。右擊【設(shè)計變量】文件夾，在快捷菜單中選擇【添加】命令，系統(tǒng)彈出【設(shè)計變量】屬性管理器，如圖6105所示。在一個優(yōu)化算例中，最多可以選擇25個設(shè)計變量。在Simulation Study樹中【目標】文件夾下面出現(xiàn)“”圖標，如圖6104所示。在【響應(yīng)】選項下【模式形狀】只適用于頻率和扭曲類型，【選擇要為目標使用的算例】中列出了與所選數(shù)量類型相關(guān)的算例以供選擇。在【目標】選項下，可以設(shè)定優(yōu)化算例的目標：縮小或放大，即最小化或最大化。在一個優(yōu)化算例中，只能設(shè)定一個目標。Simulation Study樹中沒有出現(xiàn)常規(guī)的文件夾如實體、連接、夾具等，這是因為優(yōu)化分析將使用前面定義好的算例中包含的信息?！灸繕恕课募A用來定義優(yōu)化目標；【設(shè)計變量】文件夾用來定義設(shè)計變量；【約束】文件夾用來定義約束。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】輸入框中自動生成“算例2”名稱，采用默認的名稱，在【類型】選項下單擊【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。所需的初始算例取決于選擇的目標函數(shù)和約束，例如，旨在最小化體積或重量的目標函數(shù)不需要特定類型的初始算例，而想要最小化頻率的目標函數(shù)需要初始頻率算例。2. 創(chuàng)建優(yōu)化算例優(yōu)化算例要求生成至少一個初始算例。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。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）進行計算，出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。它可以快速檢測更改設(shè)計變量的效果，將達到優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計周期數(shù)減至最少。邊界約束用來限制設(shè)計變量的取值范圍，性能約束用來約束設(shè)計性能，如零件安全系數(shù)、最大應(yīng)力等。3. 約束條件在設(shè)計過程中，設(shè)計變量的取值不是無限的，某些性能也有一定限制。但隨著設(shè)計變量的增多，優(yōu)化設(shè)計的難度也隨著增加。2. 設(shè)計變量設(shè)計變量是對設(shè)計目標有影響的，需要在優(yōu)化設(shè)計過程中優(yōu)化確定的設(shè)計參數(shù)。目標函數(shù)反映了用戶的要求，例如，重量輕、體積小、可靠性高、振動小等。 優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)知識在優(yōu)化設(shè)計時，需要定義目標（目標函數(shù)）、設(shè)計可以更改的尺寸（設(shè)計變量）以及設(shè)計必須滿足的條件（約束條件）。從數(shù)學(xué)的觀點看,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。隨著市場的競爭越來越激烈，企業(yè)迫切希望提高產(chǎn)品的性能，減少原材料的消耗，增強產(chǎn)品的競爭力，使得工程優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用范圍愈來愈廣，收到的效益也愈來愈顯著。在算例中，應(yīng)用【無穿透】的全局接觸來預(yù)防兩個鉗口的交錯，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。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。圖6100 更改【圖表選項】后的von Mises圖解圖中，紅色區(qū)域代表材料屈服。圖699 von Mises圖解右擊【應(yīng)力1】圖標，在彈出的快捷菜單中選擇【圖表選項】，系統(tǒng)彈出【圖表選項】屬性管理器，選擇【定義】，將應(yīng)力顯示范圍設(shè)置為0到355MPa。單擊【否】，以小型位移（線性方式）完成分析。使用【高】品質(zhì)單元并用默認的單元大小來劃分網(wǎng)格?！窘M１】和【組２】面的類型不要求相同，例如平面可以和柱面發(fā)生接觸。 【組２】：組２的面（不允許有頂點或邊線）應(yīng)該比組１的幾何體更大更光滑。 【組１】：由有限元網(wǎng)格的節(jié)點或曲面來表示，可以是頂點、邊線或面。圖697 【接觸面組】屬性管理器【無穿透】的使用條件是在兩組對象之間進行定義。在【類型】選項下選擇【無穿透】，選擇其中的一個分割面作為【組１】，另一個分割面為【組２】；在【高級】選項下選擇【節(jié)到曲面】。本例中使用兩個位于鉗臂內(nèi)的小分割面來定義接觸面組。（2）編輯力的大小為4000N，這個值是按線性假設(shè)粗略估計出的任意值，它能保證兩個鉗臂接觸到一起。局部接觸條件的定義可確保兩鉗臂接觸到一起，但不互相滲透。需要注意的是計算出來的力是基于線性分析的假設(shè)，即鉗臂的受力與所加的載荷成正比。二者最初的距離為15mm，因此使兩個鉗臂接觸到一起所需力的大小為：300（15247。在【變形形狀】選項下選擇【真實比例】，該選項使圖解的變形形狀設(shè)置為1：1，單擊【確定】按鈕完成操作，“夾鉗”位移圖解如圖696所示。右擊【位移1】圖標在彈出的快捷菜單中選擇【編輯定義】，系統(tǒng)彈出【位移圖解】屬性管理器，如圖695所示。為了了解鉗臂末端合到一起所需要的力，需要借助上例中施加300N力時鉗臂末端的位移。這樣的應(yīng)力對于夾鉗的材料是可以承受的，45鋼的屈服期限為355MPa。圖693 爆炸后的von Mises圖解（4）隱藏銷和其中一個鉗臂隱藏“銷”和“夾鉗臂（2）”，然后在【應(yīng)力1】圖標上雙擊，顯示von Mises應(yīng)力圖解，如圖694所示。有時裝配體中某些零部件阻礙了結(jié)果圖的正常顯示，為了方便瀏覽裝配體的分析結(jié)果，有兩種解決方法：一種方法是采用爆炸視圖，另外一種方法是隱藏某些裝配體零部件。右擊【應(yīng)力1】圖標在彈出的快捷菜單中選擇【設(shè)定】，然后在【邊緣選項】下選擇【離散】，結(jié)果如圖692所示。（2） 更改圖解右擊【應(yīng)力1】圖標，在彈出的快捷菜單中選擇【圖表選項】，系統(tǒng)彈出【圖表選項】屬性管理器。我們的目的是知道裝配體是否存在超過設(shè)計強度150Mpa的von Mises應(yīng)力。8. 結(jié)果分析（1） 雙擊【應(yīng)力1】圖標，繪圖區(qū)會顯示von Mises應(yīng)力圖解，如圖690所示。由圖中可以看出，采用了【自動過渡】后，在夾鉗的圓角處網(wǎng)格比沒有采用【自動過渡】的網(wǎng)格細密很多。 圖687 【網(wǎng)格】屬性管理器 圖688 網(wǎng)格劃分完成后的“夾鉗”模型在這里需要介紹一下【自動過渡】選項。采用默認的單元大小，在【網(wǎng)格參數(shù)】選項下勾選【自動過渡】，單擊【確定】按鈕完成操作，如圖687所示。 (a) 應(yīng)用網(wǎng)格控制 (b) 沒有應(yīng)用網(wǎng)格控制圖686 網(wǎng)格控制效果圖右擊Simulation Study樹中【網(wǎng)格】圖標，在彈出的快捷菜單中選擇【應(yīng)用網(wǎng)格控制】，系統(tǒng)彈出【網(wǎng)格控制】屬性管理器，在【所選實體】選項下從特征設(shè)計樹中選擇零件“銷”；在【網(wǎng)格參數(shù)】選項下，指定【單元大小】，【比率】，單擊【確定】按鈕完成操作，如圖685所示。完成網(wǎng)格控制的網(wǎng)格將沿邊界局部細化，圖686是二者的對比。一旦定義了網(wǎng)格控制，【網(wǎng)格】圖標就會變成文件夾的形式。其中【所選實體】選項用于選定要進行網(wǎng)格控制的對象；【網(wǎng)格密度】選項用于定義局部網(wǎng)格控制中單元的大??；【比率】參數(shù)用來定義連續(xù)過渡單元層單元大小的比率。小單元分布在需要的位置，而那些無應(yīng)力集中的地方仍用較大的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格控制允許獨立于整體單元尺寸，而只在所選的局部位置控制單元尺寸大小。圖684【力/扭矩】屬性管理器6. 劃分網(wǎng)格（1）網(wǎng)格控制由于裝配體中零件幾何尺寸差別很大，因此裝配體分析時需要對個別零部件使用網(wǎng)格控制。右擊【連結(jié)】圖標在彈出的快捷菜單中選擇【全局接觸】，系統(tǒng)彈出【全局接觸】屬性管理器，在【接觸面】選項中選擇【無穿透】，如圖683所示。假定夾鉗夾緊時平板無滑移，如圖682所示。 圖680 應(yīng)用材料到所有 圖681 應(yīng)用/編輯材料本例給“夾鉗”的所有零件指定相同的材料，右擊【零件】圖標，在彈出的快捷菜單中選擇【應(yīng)用材料到所有】，系統(tǒng)彈出【材料】對話框，材料指定為“45”鋼。如果裝配體中的各個零部件材料相同，只需右擊Simulation Study樹中【零件】圖標，在彈出的快捷菜單中選擇【應(yīng)用材料到所有】即可，如圖680所示。如圖679所示。圖678 添加載荷與約束后的“夾鉗”1. 建立算例打開“夾鉗”裝配體文件，然后將零件“夾鉗板”壓縮。分析時，將零部件“夾鉗平板”壓縮，鉗口處用【平行】配合并添加【固定幾何體】的夾具約束，來模擬平板被夾住時的情形，如圖678所示。如圖677所示。“夾鉗”裝配體模型由四部分組成：兩個相同的鉗臂（夾鉗臂）、一個銷釘（銷）、和一塊被夾鉗夾住的平板（夾鉗平板），如圖676所示。虛擬壁除了摩擦系數(shù)及壁面彈性可以被指定外，虛擬壁提供了一個類似于轉(zhuǎn)子／滑移約束的滑移支撐。自由表面可以互相穿透，雖然在物理上是不可能的。該接觸條件需要兩個零件有一定體積的干涉。冷縮配合程序在所選面之間創(chuàng)建冷縮配合條件。網(wǎng)格的兼容性由相應(yīng)的零部件接觸（如果已指定）或全局接觸的兼容性來控制。在接觸選項中可以制定摩擦系數(shù)及初始幾何偏移。表63為它們功能的詳細介紹。l 接觸面組（局部接觸）局部接觸的定義方法：右擊【連結(jié)】文件夾，在彈出的快捷菜單中選擇【接觸面組】，系統(tǒng)彈出【接觸面組】屬性管理器，如圖675所示。l 零部件接觸零部件接觸的類型與全局接觸的類型是一樣的。此時，接觸面必須具有相同的形狀：兩個平面、兩個具有相同半徑的圓柱面、或兩個具有相同半徑的球面，這些面必須具有相同的區(qū)域，但不必是一模一樣的。接觸面：自由（無交互作用）當裝配體是由一組獨立的零件構(gòu)成，且相互之間沒有結(jié)構(gòu)上的連接時，選擇該項。如果兼容網(wǎng)格劃分選項失敗，則該選項保證網(wǎng)格劃分成功完成。接觸面：接合選項：不兼容網(wǎng)格對每一組零件的網(wǎng)格劃分程序是獨立的。表62 全局接觸類型接觸面：接合選項：兼容網(wǎng)格默認的選項，當接觸面合并在一起且把裝配體看成是一個整體時，選擇該項。（2）單擊常用Simulation工具欄中【連結(jié)】按鈕，在出現(xiàn)的下拉菜單中選擇【全局接觸】。當我們創(chuàng)建了一個裝配體的靜態(tài)分析算例時， Simulation設(shè)計樹中會出現(xiàn)一個名為【連結(jié)】的文件夾，在這個文件夾中我們需要指定裝配體中的零部件之間是如何連接在一起的。下面將對三種接觸條件做詳細介紹：l 全局接觸全局接觸用于定義零部件之間相互連接的方式。圖673 【連結(jié)】文件夾一般來說，在三種接觸類型中接觸面組（局部接觸）的優(yōu)先權(quán)最高，其次是零部件接觸，全局接觸的優(yōu)先權(quán)最低。當分析裝配體時，Simulation Study樹中【連結(jié)】會變成文件夾的形式，如圖672所示，這是與零件分析時顯著的區(qū)別。當分析一個裝配體時，我們必須了解組成裝配體的各個零部件之間是如何接觸的，這